[发明专利]一种振动能源采集系统

说明书

技术领域

本发明属于微型电源领域，其特征在于对环境中的各种振动机械能量进行采集，并将采集的能量转化为电能储存于储能元件中。主要目的是用于小型无线传感器网络及其它低功耗器件供电，提高能源的利用率。

技术背景

近年来，随着微电子技术和无线技术的发展，电子设备和无线传感器进入了小型、低功耗化的时代。通常情况下，这些设备都是依靠传统的电池来提供能量，如镍氢电池、锂聚合物电池等。但是，传统电池存在一些缺点，一是相对于微型传感器其体积仍然较大；二是供能寿命有限，使用一段时间后需要更换或者充电，对于放置在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器而言，这是个很严重的制约条件。目前，从环境中提取未利用能源(温差、振动等)的能源采集技术，正日益成为各种应用领域中有力的竞争方案。工业的发展正向着微电子化、微功耗化、自动化方面快速的发展，这就导致了环境能源采集的迅猛发展。现在各种微处理器控制的植入式装置、嵌入式装置、分布式系统、无线传感器、无线通信设备都朝着MEMS(微电子机械系统)发展。开发一种可以长时间使用、将周围环境中各种能源转化为电能的微能源自采集与供能系统，是人们期待解决的重要问题，具有广阔的应用前景。

另一方面，虽然在短期的时间内，微能源采集系统还不能完全取代所有领域所使用的电池或供电系统，但其还是凭借其无需更换电池或持续时间可达数年、低功耗、自采集与自供能、绿色环保等众多优势，将会成为用户和工业生产的选择。因此，将环境周围的各种振动能源转化为电能的振动能源采集系统，一直是人们希望解决的问题，具有广泛的实用价值。

发明内容

本发明目的在于设计了一种振动能源采集系统，从而解决了周围环境中振动能源采集供电的问题。

本发明采用的技术方案如下：

振动能源采集系统主要由振动能源采集器、能源管理电路及其存储能量元件组成。其中所述的振动能源采集器采用压电式能量采集器，其原理直接将周围环境中的振动机械能量转化为电能的装置。

所述方案中，振动能源采集系统能源管理电路主要由AC/DC转换电路模块、boost升压电路模块和IC控制电路模块组成。其中AC/DC转换电路模块采用场效应管和电压比较器组成的整流电路大大降低系统功率损耗；boost升压电路模块采用场效应管作为开关控制的基本升压电路模块；IC控制电路模块主要由低功耗的微控制器组成。

所述方案中，振动能源采集系统储存能量元件由可充电电池组或者可充电超级电容组成。

上述方案中，振动能源采集系统能量采集过程如下：

振动能源采集器将周围环境中的各种振动机械能量转化为电能，转化的电压经过AC/DC整流电路模块整流输出直流电压；直流电压经过boost升压电路模块将电压升高存储于电池组中，IC控制电路模块通过采样整流输出的电压和电流，通过最大功率跟踪点法(MPPT)控制脉冲波形占空比调节输出电压。

所述振动能源采集系统的总体工作流程如下：

振动能源采集器将周围环境中的各种振动机械能量转化为电能，转化的电压经过AC/DC整流电路模块整流输出直流电压；直流电压经过boost升压电路模块将电压升高存储于电池组中，IC控制电路模块通过采样整流输出的电压和电流，通过最大功率跟踪点法(MPPT)控制脉冲波形占空比调节输出电压，使输出电压稳定；经过升压模块的输出电压经过滤波电容存储于可充电电池组中。

所述振动能源采集系统还包括电池组电压信号采样，采样信号经过运算放大器输入IC控制电路模块，IC控制电路模块通过输入信号判断电池组是否达到饱和电压。若电池组电压达到饱和电压，IC控制电路模块产生一个中断信号关闭充电开关电路，以保护系统安全。

所述振动能源采集系统还包括热敏电阻采样电池底部温度，采样温度信号经过运算放大器输入IC控制电路模块，IC控制电路模块通过输入信号判断电池温度是否达到额定温度。若电池温度达到电池额定温度，IC控制电路模块产生一个中断信号关闭充电开关电路，以保护系统安全。

所述振动能源采集系统还包括电池组电流信号采样，采样信号经过运算放大器输入IC控制电路模块，IC控制电路模块通过输入信号判断电池组电流是否达到饱和电流。若电池组电流达到饱和电流，IC控制电路模块产生一个中断信号关闭充电开关电路，以保护系统安全。

本发明具有以下优点：