CN116896170A - 一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统及方法，包括阻抗匹配单元、整流单元、电感调节单元、控制单元；其中，阻抗匹配单元包括开关元件、感性元件，通过改变开关元件开合的频次及时长调整阻抗大小，直至实现阻抗匹配为止。整流单元包括整流电路，用于对微能量收集器输出交变信号进行交直整流处理，以方便电能存储在储能电容中。电感调节单元包括可调电感器件及辅助调节附件，通过调节电感器件电感值，最大化增强后端充电效率，提高充电速度。控制单元包括PWM波信号发生电路、电感调节控制信号发生电路、典型经验值存储电路、充电监测电路。本发明可实现微能量收集器输出阻抗的自适应匹配，有效提高电能存储效率。

Description

一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统及方法

技术领域

本发明属于新型微能量高效存储技术领域，具体涉及一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统及方法，用于实现微能量收集器的输出阻抗自适应匹配及输出电能高效存储。

背景技术

为了保证微传感器节点的供电问题，可通过收集环境中的能量为微传感节点持续供电，而不需要持续跟换电池。常见开放环境中清洁能量来源有太阳能、风能、振动能、流体能、磁场能、声波能等。针对风能、振动能、流体能、磁场能、声波能等设计的大部分微能量收集器，普遍采用压电式、磁电式、摩擦起电式等类型能量转换元件，这些转化元件本身固有的阻抗特性导致后端电能处理及存储存在较大差异。特别是，基于压电式、摩擦起电式转换原理的微能量收集器，存在高容性内阻抗的特点。若直接采用标准的直接整流充电式电能存储电路，则电能大部分束缚在收集器内部，而无法有效地存储到储能元件中，造成这种现象的根本原因在于微能量收集器输出阻抗与后端电能存储电路输入阻抗不匹配且相差较大。

常见的微能量收集器阻抗匹配方法有LC谐振法及buck-boost电路法。其中，LC谐振法可以通过在收集器后端串联或并联感性元件的方式，实现充电回路阻抗匹配及高效电能存储，但是当微能量收集器呈高容性阻抗特性时，需要较大电感值的电感(几万亨及以上)才能实现阻抗匹配，存在两方面问题：一是电感体积较大，无法满足微传感节点微型化要求，二是只对单一频率的输出电能信号有效，无法适应外部频率多变的微能量收集。此外，buck-boost电路法，通过控制信号占空比的改变控制开关的通断时间，实现阻抗的改变，但是buck-boost电路的电容、电感值较难确定，实现过程较为困难。

发明内容

针对上述技术难题及不足，本发明提供了一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统及方法，可实现微能量收集器输出阻抗的自适应匹配，有效提高电能存储效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，主要由阻抗匹配单元、整流单元、电感调节单元、控制单元组成。其中，阻抗匹配单元包括开关元件、感性元件，通过改变开关元件开合的频次及时长调整阻抗大小，直至实现阻抗匹配为止。整流单元主要包含整流电路，用于对微能量收集器输出交变信号进行交直整流处理，以方便电能存储在储能电容中。电感调节单元主要包括可调电感器件及辅助调节附件，通过调节电感器件电感值，最大化增强后端充电效率，提高充电速度。控制单元主要包含PWM波信号发生电路、电感调节控制信号发生电路、典型经验值存储电路、充电监测电路等，PWM波信号发生电路用于产生控制阻抗匹配单元阻抗匹配的PWM波信号，电感调节控制信号发生电路用于产生改变电感器件电感值的控制信号，典型经验值存储电路存储面向各类微能量收集器的典型PWM周期值及占空比值与可调电感器件电感值，充电监测电路用于采样后端储能电容充电电流、电压信号，并计算出瞬时充电功率，从而监测充电功率及充电速率。

本发明一种实施方式中，阻抗匹配单元中开关器件可以选为电子开关、继电器、CMOS管等元器件。

本发明一种实施方式中，整流单元中整流电路可以选为全桥整流、半桥整流等电路。

本发明一种实施方式中，电感调节单元中可调电感器件可以选为滑动式电感器、铁心可调式电感器、多抽头带铁心线圈等。

本发明一种实施方式中，电感调节单元中辅助调节附件可以选为微型步进电机、多路开关阵列等。

本发明一种实施方式中，控制单元中PWM波信号发生电路可以选用单频率PWM信号发生电路、混频PWM信号发生电路。

本发明一种实施方式中，控制单元中电感调节控制信号发生电路可以选用PWM信号发生电路、多路数字电平信号发生电路。

本发明一种实施方式中，控制单元中充电监测电路可以选用电压/电流同步采样电路、电能计量芯片。

本发明还提供了面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配方法，本方法通过上述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统实现，包括如下过程：

步骤1：根据前端微能量收集器输出电信号特征，从典型经验值存储电路调取对应的PWM控制信号周期、占空比典型值发送到PWM波信号发生电路，调取可调电感器件的典型电感值发送到电感调节控制信号发生电路。

步骤2：根据步骤1典型经验值，控制单元中PWM波信号发生电路设置PWM控制信号初始周期及占空比值，电感调节控制信号发生电路设置可调电感器件初始电感值且输出相应控制信号，同时采集后端储能电容初始充电电压、电流，计算初始充电功率。

步骤3：调节PWM控制信号周期值大小，使得后端储能电容充电功率达到最大值，并保持该周期值。当PWM控制信号周期值增大时，若充电功率增大则继续增大周期值，反之，减小周期值；当PWM控制信号周期值减小时，若充电功率增大则继续减小周期值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的周期值。

步骤4：调节PWM控制信号占空比值大小，使得后端储能电容充电功率达到最大值，并保持该周期值。当PWM控制信号占空比值增大时，若充电功率增大则继续增大占空比值，反之，减小占空比值；当PWM控制信号占空比值减小时，若充电功率增大则继续减小占空比值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的占空比值。

步骤5：通过改变电感调节控制信号大小，调节可调电感器件电感值大小，使得后端储能电容充电功率达到最大值，并保持该值大小。当电感值增大时，若充电功率增大则继续增大电感值，反之，减小电感值；当电感值减小时，若充电功率增大则继续减小电感值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的控制信号大小及电感值。

步骤6：保持上述步骤选定的相关设置进行微能量收集器输出阻抗自适应匹配及增强型充电过程，直至前端微能量收集器输出特性及后端储能电容充电特性发生变化时，重复上述流程。

本发明的特点及优势在于：

(1)本发明提出的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统设计了阻抗匹配单元，可实现不同类型微能量收集器不同输出阻抗的自适应匹配，提高了多类微能量收集器输出电能处理存储能力，加快了充电速率。与传统单一阻抗匹配方法相比，本发明可以自适应不同类型微能量收集器阻抗特性实现自动匹配，电能存储速度更快，适应多类能量收集器能力更强。

(2)本发明提出的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配方法，在整流单元后端引入了自适应可调的电感器件，利用电感器件自感效应产生附加电源，有效地增大了储能电容充电功率及充电速率，提高了微能量收集器输出电能处理能力。与传统后端电能处理电路相比，本发明可以有效提升充电功率及充电速率。

附图说明

图1是本发明增强型阻抗自适应匹配系统组成框图；

附图中：1、阻抗匹配单元；2、整流单元；3、电感调节单元；4、控制单元。

图2是本发明增强型阻抗自适应匹配方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统主要由阻抗匹配单元1、整流单元2、电感调节单元3、控制单元4组成。其中，阻抗匹配单元1包括开关元件11、感性元件12，通过改变开关元件开合的频次及时长调整阻抗大小，直至实现阻抗匹配为止。整流单元2主要包含整流电路21，用于对微能量收集器输出交变信号进行交直整流处理，以方便电能存储在储能电容中。电感调节单元3主要包括可调电感器件31及辅助调节附件32，通过调节电感器件电感值，最大化增强后端充电效率，提高充电速度。控制单元4主要包含PWM波信号发生电路41、电感调节控制信号发生电路42、典型经验值存储电路43、充电监测电路44等，PWM波信号发生电路41用于产生控制阻抗匹配单元阻抗匹配的PWM波信号，电感调节控制信号发生电路42用于产生改变电感器件电感值的控制信号，典型经验值存储电路43存储面向各类微能量收集器的典型PWM周期值及占空比值与可调电感器件电感值，充电监测电路44用于采样后端储能电容充电电流、电压信号，并计算出瞬时充电功率，从而监测充电功率及充电速率。其中，开关器件11选用电子开关，感性元件12选用环氧树脂电感器，整流电路21选用全桥整流电路，可调电感器件31选用滑动式电感器，辅助调节附件32选用微型步进电机，PWM波信号发生电路41选用单频率PWM信号发生电路，电感调节控制信号发生电路42选用PWM信号发生电路，典型经验值存储电路43选用单片机存储电路，充电监测电路44可以选用电压/电流同步采样电路。

如图2所示，一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配方法，通过上述面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统实现。上述例子中，当微能量收集器输出电能到阻抗匹配单元1时，控制单元4根据微能量收集器输出电信号特征，从典型经验值存储电路43调取对应的PWM控制信号周期、占空比典型值发送到PWM波信号发生电路41，调取可调电感器件的典型电感值发送到电感调节控制信号发生电路42。PWM波信号发生电路41设置PWM控制信号初始周期及占空比值，电感调节控制信号发生电路42设置可调电感器件初始电感值且输出相应控制信号。此时，微能量收集器输出电信号依次经阻抗匹配单元1、整流单元2、电感调节单元3后输入后端储能电容中，实现输出电能充电存储。同时，充电监测电路44采集后端储能电容初始充电电压、电流，计算初始充电功率。

进一步进入参数优化调整阶段，首先PWM波信号发生电路41调节PWM控制信号周期值大小。当PWM控制信号周期值增大时，若充电功率增大则继续增大周期值，反之，减小周期值；当PWM控制信号周期值减小时，若充电功率增大则继续减小周期值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的周期值，并保持该值设置。其次，PWM波信号发生电路41调节PWM控制信号占空比值大小。当PWM控制信号占空比值增大时，若充电功率增大则继续增大占空比值，反之，减小占空比值；当PWM控制信号占空比值减小时，若充电功率增大则继续减小占空比值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的占空比值，并保持该值设置。最后，电感调节控制信号发生电路42通过改变电感调节控制信号大小，调节可调电感器件电感值大小。当电感值增大时，若充电功率增大则继续增大电感值，反之，减小电感值；当电感值减小时，若充电功率增大则继续减小电感值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的控制信号大小及电感值，并保持该值设置。保持上述步骤选定的相关设置进行微能量收集器输出阻抗自适应匹配及增强型充电过程，直至前端微能量收集器输出特性及后端储能电容充电特性发生变化时，重复执行上述流程。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：包括阻抗匹配单元、整流单元、电感调节单元、控制单元；所述阻抗匹配单元包括开关元件、感性元件，通过改变开关元件开合的频次及时长调整阻抗大小，直至实现阻抗匹配为止；所述整流单元包括整流电路，用于对微能量收集器输出交变信号进行交直整流处理，以方便电能存储在储能电容中；所述电感调节单元包括可调电感器件及辅助调节附件，通过调节电感器件电感值，最大化增强后端充电效率，提高充电速度；所述控制单元包括PWM波信号发生电路、电感调节控制信号发生电路、典型经验值存储电路、充电监测电路，所述PWM波信号发生电路用于产生控制阻抗匹配单元阻抗匹配的PWM波信号，所述电感调节控制信号发生电路用于产生改变电感器件电感值的控制信号，所述典型经验值存储电路存储面向各类微能量收集器的典型PWM周期值及占空比值与可调电感器件电感值，所述充电监测电路用于采样后端储能电容充电电流、电压信号，并计算出瞬时充电功率，从而监测充电功率及充电速率。

2.根据权利要求1所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：所述阻抗匹配单元中开关器件选择包括电子开关、继电器、CMOS管。

3.根据权利要求1所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：所述整流单元中整流电路选择包括全桥整流、半桥整流。

4.根据权利要求1所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：所述电感调节单元中可调电感器件选择包括滑动式电感器、铁心可调式电感器、多抽头带铁心线圈。

5.根据权利要求1所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：所述电感调节单元中辅助调节附件选择包括微型步进电机、多路开关阵列。

6.根据权利要求1所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：所述控制单元中PWM波信号发生电路选择包括单频率PWM信号发生电路、混频PWM信号发生电路。

7.根据权利要求1所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：所述控制单元中电感调节控制信号发生电路选择包括PWM信号发生电路、多路数字电平信号发生电路。

8.根据权利要求1所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统，其特征在于：所述控制单元中充电监测电路选择包括电压/电流同步采样电路、电能计量芯片。

9.一种面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配方法，所述匹配方法通过权利要求1-8任一项所述的面向微能量收集的增强型阻抗自适应匹配系统实现，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据前端微能量收集器输出电信号特征，从典型经验值存储电路调取对应的PWM控制信号周期、占空比典型值发送到PWM波信号发生电路，调取可调电感器件的典型电感值发送到电感调节控制信号发生电路；

步骤2：根据步骤1典型经验值，控制单元中PWM波信号发生电路设置PWM控制信号初始周期及占空比值，电感调节控制信号发生电路设置可调电感器件初始电感值且输出相应控制信号，同时采集后端储能电容初始充电电压、电流，计算初始充电功率；

步骤3：调节PWM控制信号周期值大小，使得后端储能电容充电功率达到最大值，并保持该周期值；当PWM控制信号周期值增大时，若充电功率增大则继续增大周期值，反之，减小周期值；当PWM控制信号周期值减小时，若充电功率增大则继续减小周期值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的周期值；

步骤4：调节PWM控制信号占空比值大小，使得后端储能电容充电功率达到最大值，并保持该周期值；当PWM控制信号占空比值增大时，若充电功率增大则继续增大占空比值，反之，减小占空比值；当PWM控制信号占空比值减小时，若充电功率增大则继续减小占空比值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的占空比值；

步骤5：通过改变电感调节控制信号大小，调节可调电感器件电感值大小，使得后端储能电容充电功率达到最大值，并保持该值大小；当电感值增大时，若充电功率增大则继续增大电感值，反之，减小电感值；当电感值减小时，若充电功率增大则继续减小电感值，直至出现充电功率减小，取充电功率最大值对应的控制信号大小及电感值；

步骤6：保持上述步骤选定的相关设置进行微能量收集器输出阻抗自适应匹配及增强型充电过程，直至前端微能量收集器输出特性及后端储能电容充电特性发生变化时，重复上述流程。