CN115864829B

CN115864829B - 一种电容阵列式能量收集系统及收集方法

Info

Publication number: CN115864829B
Application number: CN202310089673.8A
Authority: CN
Inventors: 花建泽; 陈凡; 张春红; 高恬溪
Original assignee: Lingsi Electronic Technology Dongguan Co ltd; Changan University
Current assignee: Lingsi Electronic Technology Dongguan Co ltd; Changan University
Priority date: 2023-02-09
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2043-02-09
Also published as: CN115864829A

Abstract

一种电容阵列式能量收集系统及收集方法，包括阻抗源、n阶开关电容转换器和开关电容控制单元；阻抗源连接n阶开关电容转换器，n阶开关电容转换器输出端连接负载，开关电容控制单元连接n阶开关电容转换器；开关电容控制器负责参数的计算，生成n阶开关电容转换器所需的两个参数T和n，并传递给转换器，用于转换器控制状态的转换；利用电容阵列储存电能，并为连接的负载输出电能，达到能量收集与利用的目的。

Description

一种电容阵列式能量收集系统及收集方法

技术领域

本发明属于能量收集技术领域，特别涉及一种电容阵列式能量收集系统及收集方法。

背景技术

生活中各种传感器模块所处的应用环境存在着各种不同的能量源，如风能、太阳能、热能、机械能及射频RF无线能量等；将周围环境的某种或多种能量进行采集的能量收集技术是传感器供电的理想方式。近年来，随着物联网和传感器技术的飞速发展，加上绿色环保理念的深入人心，以及能源危机的日渐紧张，关于能量收集的研究当下最为重要的技术之一。

在进行能量收集时，为了使能量源以最大功率输出，通常采用最大功率追踪(Maximumpower point tracking，MPPT)方式进行收集。由于能量源具有内阻，且其输出电压或电流受周围环境或其他因素影响而不够稳定。当能量收集电路连接到能量源时，能量收集电路可看作能量源的负载；如要实现最大功率方式的能量提取，能量收集电路本身的阻抗必须与能量源内阻以一定的比例进行匹配。例如，光伏电池的能量收集电路要求其阻抗使得光伏电池的输出电压约为开路时的75%，而一些压电材料则要求能量收集电路的阻抗与其内阻相等。

在能量收集转换过程中，能量收集系统通常采用电感作为能量的转换器件，目前的能量收集系统绝大多数采用电感型的转换器来实现阻抗匹配和MPPT。但是电感由于体积巨大，通常在系统中占据巨大的空间，影响了能量收集系统的小型化；而在集成电路工艺中，大感值电感是无法被集成在芯片内部的，阻碍了能量收集系统的集成化。另外，电感型转换器通常需要复杂的控制和补偿系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容阵列式能量收集系统及收集方法，以实现上述目的。

与现有技术相比，本发明采用以下技术方案：

一种电容阵列式能量收集系统，包括阻抗源、n阶开关电容转换器和开关电容控制单元；n阶开关电容转换器为电容阵列，阻抗源连接n阶开关电容转换器的输入端，n阶开关电容转换器的输出端连接负载，开关电容控制单元连接n阶开关电容转换器；

开关电容控制单元用于控制n阶开关电容转换器的能量采集，以及为负载供能；

阻抗源用于从环境中获取微能量源，将得到的微能量源转换为电信号输出到n阶开关电容转换器。

进一步的，n阶开关电容转换器包括开关d₁、开关d₂、电容组件和第三开关e；电容组件包括若干个并排设置的电容，电容下极板一端均接地，上极板一端并联后连接到开关d₂；远离开关d₂一侧的电容的上极板通过开关d₁连接电信号输入；前一个电容的下极板和后一个电容的上极板之间设置有第三开关e。

进一步的，电容组件包括第一开关a_i、第二开关b_i,i=1,2,3…和电容；若干电容并排设置，每个电容的上极板连接第一开关a_i，下极板连接第二开关b_i。

进一步的，开关电容控制单元包括开关电容控制器和检测电路；检测电路连接到开关电容控制器，检测电路用于检测n阶开关电容转换器的输入和输出信号；开关电容控制器用于将微能量源信号的电容C_src和电路输入阻抗 R_src进行数值处理，输出参数T和参数n，并通过参数T和参数n对n 阶开关电容转换器的能量采集和能量输出过程进行控制；n为采样阶段接入电容总数，T表示电容阵列初始状态的持续时长。

进一步的，开关电容控制器连接有可编程参数模块，可编程参数模块用于提供控制开关电容控制器的控制参数。

进一步的，微能量源为光、温差、形变、振动或射频信号。

进一步的，一种电容阵列式能量收集系统的收集方法，包括以下步骤：

确定采样阶段接入电容总数n的值；

通过检测电路采集的输入和输出信号，以及源信号的电容C_src和电路输入阻抗R_src，确定参数T；

通过参数T和参数n，控制开关，选取靠近信号源的n个电容进行能量采集，采集完成后，电容阵列对负载进行释放能量，能量释放完毕后，控制开关重新回到初始阶段，形成循环。

进一步的，n满足的条件为：满足V_in>nV_out的最大常数值，其中V_in为n阶开关电容转换器输入电压，V_out为n阶开关电容转换器输出电压。

进一步的，确定参数T：

根据电荷守恒得出采样阶段的电压差值∆V：

然后判断若满足C_src≫c或n≫1，则有表示为：

由

和/>

，得到 T 的表达式为：

简化为：

其中，c为n阶电容的电容值，C_src是输入源的电容；

是平均输入电流，v_in（t）是输入源的电压；∆V是电压差值，I_in是输入电流；ave=average，average是平均值。

进一步的，通过参数T和参数n控制开关的具体过程：

在最开始的Tμs时间段内，切断之间所有的连接，此时控制器计算参数T和参数n；

计算完成之后，选取靠近信号源的n个电容，接通之间的第三开关e，并且闭合电容下极板连接的第二开关b，使电容的下极板与地线GND相连，同时闭合开关d1，接通输入信号源，进行能量采集；

能量采集结束之后，断开第三开关e、第二开关b和开关d1，之后闭合第一开关a、第二开关b和开关d2，电容阵列对负载进行释放能量；能量释放完毕后，断开第一开关a、第二开关b和开关d2，重新回到初始阶段，形成循环。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明能量收集系统由四部分组成，分别是微能量源、n阶开关电容转换器、开关电容控制器和负载。微能量源即环境中的微型资源是本发明的能量来源；n阶开关电容转换器通过改变电容阵列的连接方式，来控制本系统状态的转换，包括能量采集状态和能量释放状态；开关电容控制器负责参数的计算，转换器用于转换器控制状态的转换；利用电容阵列储存电能，并为连接的负载输出电能，达到能量收集与利用的目的。

进一步的，开关电容控制器用于将源信号的电容Csrc和电路输入阻抗Rsrc 进行数值处理，生成n阶开关电容转换器所需的两个参数T和n，用于控制状态的转换。

本申请的电容阵列包括若干个并排设置的电容，用电容阵列代替传统方案中的电感，电容阵列可以灵活的进行并联和串联组合，在能量收集系统的输入和输出端可以根据实时输入输出电压动态的控制其电容值来调整系统的阻抗。同时，系统适用于多能量源收集。开关电容阵列在输入和输出端电容的控制，可以根据输入与输出电压关系实时确定升压或降压结构，因此该方案能适应更宽范围的输入电压，适用于多种输出复杂的能量源，包括热电、光伏电池、RF无线电及压电能量。

附图说明

图1是本发明的典型电路示意图；

图2是本发明的最小功耗时的电容阵列；

图3是本发明的电容阵列工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图3，本发明公开了一种电容阵列式能量收集系统。该能量收集系统由四部分组成，分别是微能量源、n阶开关电容转换器、开关电容控制器和负载。微能量源即环境中的微型资源，如温差，振动等，是本发明的能量来源；n阶开关电容转换器通过改变电容阵列的连接方式，来控制本系统状态的转换，包括能量采集状态和能量释放状态；开关电容控制器负责参数的计算，生成n阶开关电容转换器所需的两个参数T和n，并传递给转换器，用于转换器控制状态的转换；负载是能量释放状态时的能量获取对象，是本能量收集系统的能量获取对象。

在集成电路工艺中，电容加工工艺十分成熟，集成电路可以将大电容集成在芯片内部。采用电容型转换器的能量收集系统相对于电感式的开关转换器收集系统，电容转换器具有更高的集成度，因此可以有效降低系统的体积。另外，开关电容转换器的结构灵活，控制系统复杂程度低。将其应用于能量收集，可以有效结合二者的优势，是一种有效的能量收集方案。

如图1所示，该方案采取阻抗源收集环境中的微能量源，如传感器收集信号，将得到的信号转换为电信号输出，得到输入信号Vin。输入信号Vin经过n 阶开关电容转换器后与负载相连。

n阶开关电容转换器需要由参数控制器提供两个参数，分别是电容阵列初始状态的持续时长T 和采样阶段接入电容总数n。利用参数T和参数n可以实现对n 阶开关电容转换器对于“能量采集”和“为负载供能”两种状态的控制。n阶开关电容转换器在能量采集”和“为负载供能”阶段的接线方式是不同的。按照能量采集时串联连接，能量释放时并联连接的方式，实现能量的收集存储与利用。

如图1所示，首先，通过阻抗源收集周围环境中的微能量源，将微能量源转换为电信号输出，得到输入信号Vin；通过开关电容控制电路，将输入的参数进行数值处理，包括源信号的电容C_src、电路输入阻抗R_src等，最终得到参数T和参数n，并通过参数T和参数n对n 阶开关电容转换器的能量采集和能量输出过程进行控制，在可控条件下为负载供能。

参照图2说明电路的组成：

电路从左至右共有十个电容和开关，开关分别是第一开关a、第二开关b、第三开关e、开关d₁和开关d₂。

第一开关a包括a₁—a₁₀，第二开关b包括b₁—b₁₀，第一开关c包括c₁—c₁₀；

开关a₁上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₂上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₃上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₄上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₅上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₆上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₇上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₈上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₉上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；开关a₁₀上接开关d₂的左端，下接电容的上极板；

开关b₁上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₂上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₃上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₄上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₅上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₆上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₇上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₈上接电容的下极板，下接地线"GND"；开关b₉上接电容的下极板，下接地线"GND"。

开关c₂左端接前一个电容的下极板，右端接后一个电容的上极板，以此类推；

开关d₁左端接信号输入端的正极，右端接首端电容的上极板；开关d₂的左端接第一开关a并联，右端接输出端的正极。

参数T和参数n 的产生方法如下：

(1)确定n 的值。n为满足Vin>nVout的最大常数值。这一步的目的是，保证信号的流向是从源端到负载的，而非从负载流回源端；

(2)根据电荷守恒可以得出采样阶段的电压差值∆V：

(1)

若满足Csrc≫c或n≫1，则有简单表示：

(2)

(3)根据短期内电路的输入阻抗不变的原则，可以确定出T 的大小。由

和/>

，得到 T 的表达式为：

简化为：

。

确定完两个参数，如图3所示，是电容阵列的工作流程。在最开始的Tμs时间段内，电路中的所有电容相互独立，切断之间所有的连接，这段时间供控制器计算参数T和参数n；计算完成之后，选取靠近信号源的n个电容，接通第三开关e，实现串联形式连接电容，并且闭合电容下极板连接的第二开关b，使电容的下极板与地线"GND"相连，同时闭合开关d1，接通输入信号源，进行能量采集；能量采集结束之后，断开第三开关e、第二开关b和开关d₁，之后闭合第一开关a、第二开关b和开关d₂，以串联的形式连接负载与采样阶段使用的n个电容，即电容阵列对负载进行释放能量；能量释放完毕后，断开第一开关a、第二开关b和开关d₂，重新回到初始阶段，形成循环。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1. 一种电容阵列式能量收集系统，其特征在于，包括阻抗源、n 阶开关电容转换器和开关电容控制单元；n 阶开关电容转换器为电容阵列，阻抗源连接n 阶开关电容转换器的输入端，n 阶开关电容转换器的输出端连接负载，开关电容控制单元连接n 阶开关电容转换器；

开关电容控制单元用于控制n 阶开关电容转换器的能量采集，以及为负载供能；

阻抗源用于从环境中获取微能量源，将得到的微能量源转换为电信号输出到n 阶开关电容转换器；

开关电容控制单元包括开关电容控制器和检测电路；检测电路连接到开关电容控制器，检测电路用于检测n 阶开关电容转换器的输入和输出信号；开关电容控制器用于将微能量源信号的电容 C_src和电路输入阻抗 R_src进行数值处理，输出参数 T和参数 n，并通过参数 T和参数 n对 n 阶开关电容转换器的能量采集和能量输出过程进行控制；n为采样阶段接入电容总数，T 表示电容阵列初始状态的持续时长；

开关电容控制器连接有可编程参数模块，可编程参数模块用于提供控制开关电容控制器的控制参数。

2. 根据权利要求1所述的一种电容阵列式能量收集系统，其特征在于，n 阶开关电容转换器包括开关d₁、开关d₂、电容组件和第三开关e；电容组件包括若干个并排设置的电容，电容下极板一端均接地，上极板一端并联后连接到开关d₂；远离开关d₂一侧的电容的上极板通过开关d₁连接电信号输入；前一个电容的下极板和后一个电容的上极板之间设置有第三开关e。

3. 根据权利要求2所述的一种电容阵列式能量收集系统，其特征在于，电容组件包括第一开关a_i、第二开关b_i ,i=1,2,3…和电容；每个电容的上极板连接第一开关a_i，下极板连接第二开关b_i。

4.根据权利要求1所述的一种电容阵列式能量收集系统，其特征在于，微能量源为光、温差、形变、振动或射频信号。

5.一种电容阵列式能量收集系统的收集方法，其特征在于，基于权利要求1至4任意一项所述的电容阵列式能量收集系统，包括以下步骤：

确定采样阶段接入电容总数n 的值；

通过检测电路采集的输入和输出信号，以及源信号的电容 C_src和电路输入阻抗 R_src，确定电容阵列初始状态的持续时长T；

通过参数 T和参数 n，控制开关，选取靠近信号源的电容进行能量采集，采集完成后，电容阵列对负载进行释放能量，能量释放完毕后，控制开关重新回到初始阶段，形成循环。

6. 根据权利要求5所述的一种电容阵列式能量收集系统的收集方法，其特征在于，n满足的条件为：满足V_in> nV_out的最大常数值，其中V_in为n 阶开关电容转换器输入电压，V_out为n 阶开关电容转换器输出电压。

7.根据权利要求5所述的一种电容阵列式能量收集系统的收集方法，其特征在于，确定电容阵列初始状态的持续时长T：

根据电荷守恒得出采样阶段的电压差值 ∆V：

然后判断：若满足源信号的电容C_src≫c 或 n≫1，则有表示为：

由

和/>

，得到 T 的表达式为：

简化为：

其中， c为n阶电容的电容值，C_src是输入源的电容；

是平均输入电流，v_in（t）是输入源的电压；∆V是电压差值， I_in是输入电流；ave=average，average是平均值。

8. 根据权利要求5所述的一种电容阵列式能量收集系统的收集方法，其特征在于，通过参数 T和参数 n控制开关的方法为：

在最开始的时间段内，切断之间所有的连接，此时控制器计算参数 T和参数 n；

计算完成之后，选取靠近信号源的电容，接通之间的第三开关e，并且闭合电容下极板连接的第二开关b，使电容的下极板与地线GND相连，同时闭合开关d₁，接通输入信号源，进行能量采集；

能量采集结束之后，断开第三开关e、第二开关b和开关d₁，之后闭合第一开关a、第二开关b和开关d₂，电容阵列对负载进行释放能量；能量释放完毕后，断开第一开关a、第二开关b和开关d₂，重新回到初始阶段，形成循环。