TW201328097A - 多能源擷取系統 - Google Patents

Abstract

一種多能源擷取系統，包括：一直流能源擷取電路，包括：一直流能源擷取單元，用以依據一第一物理量產生一直流電；以及一第一直流對直流轉換器，用以調整該直流電之電壓；一交流能源擷取電路，包括：一交流能源擷取單元，用以依據一第二物理量產生一交流電；以及一整流器，用以整流該交流電；以及一輔助電路，耦接於該直流能源擷取電路與該交流能源擷取電路之間，用以提升其效率。

Description

多能源擷取系統

本發明係關於能源擷取(energy harvesting)技術。

能源擷取裝置，或稱能量收集(energy harvesting)裝置，是一種擷取及儲存外部能源之裝置，其可另外連接各種類型的電路以進行各種應用。

能源擷取裝置特別適合應用於行動通訊領域或生醫領域。此類可攜式能源擷取裝置受限於其能量來源，通常僅能提供低功率之電能，且往往又會因為本身電路中的各種切換元件及電能轉換元件而消耗不少額外的電力，導致整體能量轉換效率相當低落。習知技術中，為了改善能源轉換效率，常會在主要的能源擷取裝置之外另設一「第二」能源擷取裝置以作為輔助前者發電之用。然而，第二能源擷取裝置本身僅有輔助發電的功能，無法單獨做為發電之主體，減損其可應用性。

本發明提供一種多能源擷取裝置，其不僅能夠擷取多種能源，並且，在各種能源獨立發電之餘，又能透過互相輔助之方式達到提升彼此能量轉換效率之目的。

本發明提供一種多能源擷取系統。該多能源擷取系統包括：一直流能源擷取電路，包括：一直流能源擷取單元，用以依據一第一物理量產生一直流電；以及一第一直流對直流轉換器，耦接至該直流能源擷取單元，用以調整該直流電之電壓；一交流能源擷取電路，包括：一交流能源擷取單元，用以依據一第二物理量產生一交流電；以及一整流器，耦接至該交流能源擷取單元，用以整流該交流電；以及一輔助電路，耦接於該直流能源擷取電路與該交流能源擷取電路之間，其以該直流能源擷取單元所產生之該直流電提升該交流能源擷取電路之效率，並以該整流器所整流後之該交流電提升該第一直流對直流轉換器之效率。

以下列舉實施例以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。

第1圖係本發明一實施例之多能源擷取系統架構圖。第1圖中之多能源擷取系統100擷取各種形態之能量，其在電路架構上主要係由一直流能源擷取電路110、一交流能源擷取電路120、一儲能單元130以及一輔助電路140所組成。其中，該直流能源擷取電路110包括一直流能源擷取單元112，其可依據一第一物理量產生一直流電，而該直流能源擷取電路110會進一步將處理後之電能儲存於該儲能單元130之中；上述第一物理量可為熱能或光能。相似地，該交流能源擷取電路120包括一交流能源擷取單元122，其可依據一第二物理量產生一交流電，而該交流能源擷取電路120會進一步將處理後之電能儲存於該儲能單元130之中；上述第二物理量可為機械能或電磁能。最後，該儲能單元130可另外連接至各種具有不同功能之電路，以提供該電路運作所需之電能。

由前文可了解到，本發明之多能源擷取系統100在能源輸入之際即以不同的電路分別擷取具有不同電流形態(即，「直流」或「交流」)之能源，如此可使不同屬性的能源互相輔助，達到提升彼此能源轉換效率的目的。除了必須區分「交流」與「直流」的能源輸入形態之外，本發明之「直流能源擷取單元112」及「交流能源擷取單元122」並不限於特定的換能器。舉例而言，如第2圖所示，直流能源擷取單元112可為用以將熱能(即「第一物理量」)轉換為直流電的一熱電元件，而交流能源擷取單元122可為用以將機械能(即「第二物理量」)轉換為交流電的一壓電元件。然而，在其他實施例中，前述的熱電元件可被其他任何能夠產生直流電之換能器所取代，例如光電元件；同理，前述的壓電元件亦可被其他任何能夠產生交流電之換能器所取代，例如射頻天線。此外，須注意到，為了方便說明，本文之實施例僅以單一「直流能源擷取電路110」及單一「交流能源擷取電路120」為例，然而，在其他實施例中，本發明對此兩元件並無數量上的限制。熟悉本技藝人士可依據本發明之精神，自行增加、刪除及變更各項元件。

本發明之直流能源擷取單元112、交流能源擷取單元122以及儲能單元130分別具有不同的電壓位準。舉例而言，在此實施例中，儲能單元130之電壓約為1V；熱電元件112之電壓約在0.2~0.6V之間，略低於儲能單元130之電壓位準；而壓電元件122為±3.7V之間振盪之交流電，其電壓的方均根值高於該儲能單元130之電壓位準。為了配合儲能單元130之電壓位準，直流能源擷取電路110另具有一第一直流對直流轉換器114，其耦接至該直流能源擷取單元112，可進一步調整該直流能源擷取單元112之輸出電壓；而交流能源擷取電路120則另外具有一整流器126以及一第二直流對直流轉換器124，其中，該整流器126耦接至該交流能源擷取單元122，用以整流該交流電(整流後之電壓約為3V)，而該第二直流對直流轉換器124則耦接至該整流器126，可進一步調整該整流後的交流電之電壓。更明確地說，在此實施例中，第一直流對直流轉換器114應為一升壓轉換器(boost converter)，用以將直流能源擷取單元112由較低的電壓位準(0.2~0.6V)提升至儲能元件130之電壓位準(1V)；而該第二直流對直流轉換器124應為一降壓轉換器(buck converter)，用以將交流能源擷取單元122由較高的電壓位準(3V)降至儲能元件130之電壓位準(1V)。第2圖為依據本發明一實施例之多能源擷取系統電路圖。如圖所示，在一實施例中，第一直流對直流轉換器114主要由電容C1、電感L1、電阻R1以及二極體D1所組成，並受電晶體開關T1及脈寬訊號產生器P1之控制而改變其電壓的調整幅度；同樣的，第二直流對直流轉換器124主要由電容C2、電感L2、電阻R2以及二極體D2所組成，並受電晶體開關T2及脈寬訊號產生器P2之控制而改變其電壓的調整幅度。須注意到，此實施例中之元件僅為例示，本發明不必以此為限。由於轉換器整實施方式繁多，故本文不再一一贅述。

本發明的特徵在於輔助電路140之配置及使用，其可使前述的直流能源擷取電路110與交流能源擷取電路120能夠互相輔助，藉以提升整體能源轉換效率。本發明之輔助電路140耦接於該直流能源擷取電路110與該交流能源擷取電路120之間，包括一第一輔助單元142及一第二輔助單元144。下文將分別詳述該第一及該第二輔助單元142及144。

本發明之第一輔助單元142可為一功率因素校正電路(power factor correction circuit)，其耦接於直流能源擷取單元112之輸出與交流能源擷取單元122之輸出之間，可利用直流電能源擷取單元112所產生之直流電提升該交流能源擷取電路120之效率。舉例而言，如第2圖所示，該第一輔助單元142係由一同步切換開關介面電路(Synchronized Switch Harvesting，SSH)控制器、一電晶體開關及一電感所組成；第一輔助單元142亦可由一同步切換開關介面電路(Synchronized Switch Harvesting，SSH)控制器及一電晶體開關所組成。其可使交流能源擷取電路120中交流電之電壓與電流的相位儘可能地彼此同步(即，減低兩者相位差)，藉以改善交流能源擷取電路120之功率因數，以減少交流能源擷取電路120中不必要之功耗。熟悉本技藝人士可了解到，前述的SSH控制器也可是「電感式」同步切換開關介面電路(Synchronized Switch Harvesting in Inductor，SSHI)控制器，在使用「電感式」同步切換開關介面電路控制器時，該第一輔助單元142係由一「電感式」同步切換開關介面電路控制器、一電晶體開關及一電感所組成。此外，在其他實施例中，本發明之第一輔助單元142可以任何具有功率因素校正功能的電路取代，不必以前述實施例為限。

本發明之第二輔助單元144耦接於整流器126之輸出與該第一直流對直流轉換器114中脈寬調變訊號產生器P1之輸入之間，可利用交流電能源擷取電路120中被整流器126整流後之交流電提升該第一直流對直流轉換器114之效率。舉例而言，如第2圖所示，該第二輔助單元144係一線性穩壓器，其可以穩定的電壓控制脈寬調變訊號產生器P1，使其所輸出的脈寬調變訊號能夠精確地控制電晶體T1之開啟或關閉。當直流對直流轉換器114之效率獲得改善，則直流能源擷取電路110整體之效率亦獲得改善。值得注意的是，在其他實施例中，該第二輔助單元144亦可由另一穩壓電路所替代，替代後的電路如第3圖所示，主要係由一齊納二極體以及一電容所構成，然而，此僅為例示，本發明不必以此為限。

藉由前述輔助電路140之作用，本發明之多能源擷取系統100即可大幅減低不必要之功耗，增進整體電路能量轉換效率，有助於其可應用性之提升。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．多能源擷取系統

110．．．直流能源擷取電路

120．．．交流能源擷取電路

130．．．儲能單元

140．．．輔助電路

112．．．直流能源擷取單元

122．．．交流能源擷取單元

114．．．第一直流對直流轉換器

124．．．第二直流對直流轉換器

126．．．整流器

142．．．第一輔助單元

144．．．第二輔助單元

L1、L2．．．電感

C1、C2．．．電容

R1、R2．．．電阻

D1、D2．．．二極體

P1、P2．．．脈寬調變訊號產生器

T1、T2．．．電晶體開關

第1圖係依據本發明一實施例之多能源擷取系統架構圖。

第2圖為依據本發明一實施例之多能源擷取系統電路圖。

第3圖為依據本發明另一實施例之多能源擷取系統電路圖。

100．．．多能源擷取系統

110．．．直流能源擷取電路

120．．．交流能源擷取電路

130．．．儲能單元

140．．．輔助電路

112．．．直流能源擷取單元

122．．．交流能源擷取單元

114．．．第一直流對直流轉換器

124．．．第二直流對直流轉換器

126．．．整流器

142．．．第一輔助單元

144．．．第二輔助單元

Claims (12)

1. 一種多能源擷取系統，包括：一直流能源擷取電路，包括：一直流能源擷取單元，用以依據一第一物理量產生一直流電；以及一第一直流對直流轉換器，耦接至該直流能源擷取單元，用以調整該直流電之電壓；一交流能源擷取電路，包括：一交流能源擷取單元，用以依據一第二物理量產生一交流電；以及一整流器，耦接至該交流能源擷取單元，用以整流該交流電；以及一輔助電路，耦接於該直流能源擷取電路與該交流能源擷取電路之間，其以該直流能源擷取單元所產生之該直流電提升該交流能源擷取電路之效率，並以該整流器所整流後之該交流電提升該第一直流對直流轉換器之效率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多能源擷取系統，其中該輔助電路包括一第一輔助單元，耦接於該直流能源擷取單元之輸出與該整流器之輸入之間，用以控制該交流電之功率因素。
3. 如申請專利範圍第1項所述之多能源擷取系統，其中該輔助電路包括一第二輔助單元，耦接於該整流器之輸出與該第一直流對直流轉換器中一脈寬調變訊號產生器之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之多能源擷取系統，其中該第一輔助單元係包括一同步切換開關介面電路(Synchronized Switch Harvesting，SSH)。
5. 如申請專利範圍第2項所述之多能源擷取系統，其中該第一輔助單元係包括一電感式同步切換開關介面電路(Synchronized Switch Harvesting in Inductor，SSHI)。
6. 如申請專利範圍第3項所述之多能源擷取系統，其中該第二輔助單元係一線性穩壓器。
7. 如申請專利範圍第3項所述之多能源擷取系統，其中該第二輔助單元係包括一齊納二極體及一電容。
8. 如申請專利範圍第1項所述之多能源擷取系統，該交流能源擷取電路更包括一第二直流對直流轉換器，耦接至該整流器，用以調整該整流後的交流電之電壓。
9. 如申請專利範圍第1項所述之多能源擷取系統，其中該第一直流對直流轉換器係一升壓轉換器(boost converter)。
10. 如申請專利範圍第8項所述之多能源擷取系統，其中該第二直流對直流轉換器係一降壓轉換器(buck converter)。
11. 如申請專利範圍第1項所述之多能源擷取系統，更包括一儲能單元，耦接至該直流能源擷取電路及該交流能源擷取電路。
12. 如申請專利範圍第11項所述之多能源擷取系統，其中該儲能單元係用以儲存該直流能源擷取電路輸出之電能及該交流能源擷取電路輸出之電能。