[发明专利]一种振动自发电控制集成式电池

说明书

本专利设计了一种振动自发电控制集成式电池，将振动能量捕获和电池充电控制功能集成于一体，在振动条件下具备自发电能力。该电池包括(10)标准电池壳体、(20)振动能量捕获与升压模块、(30)电池充电模块和(40)控制模块等四个部分。其中，(10)按标准电池尺寸设计，将(20)、(30)、(40)集成在内部；(20)包括振动能量捕获单元、Boost升压电路和缓存电容；(30)包括Buck‑Boost充电电路、防反/保护电路和电池本体；(40)负责能量捕获的最大功率点跟踪和充电控制。该电池具有充电功能自主化、能量转换高效化、自发电与电池蓄能集成化等特点，能够有效提升电池的续航能力，解决外接充电或电池更换不便等问题。

技术领域

自发电电池涉及振动式微机电能量捕获技术和电池充电控制一体化技术，属于具备自发电功能的电池集成装置领域。

背景技术

随着时代的发展和科学技术的进步，生活中所用电池的容量不断增加，体积不断减小，但如今电池的续航问题一直没有从根本上得到解决，阻碍现代电池技术的进一步发展，电池电量的耗尽致使用户需要频繁更换电池，废弃的电池对环境造成巨大的污染。针对目前电池续航问题，一方面需继续增大电池容量，延长电池使用时间，但势必会造成电池体积的增大，另一方面自发电电池的技术突破也是解决该问题的途径。在此背景下，应用能量捕获技术的自发电电池以其特有优势在近几年发展势头迅猛。

能量捕获是指将环境中的其他能量(例如风能、太阳能和振动机械能)转换为电能的一种能量转换方式，由于生活环境中的机械振动无处不在，存在着范围广泛、影响较大、易产生噪声污染的特点，所以可采用振动式微机电能量捕获技术将周围振动能量捕获，转化为电能存储利用，在消除噪声污染的同时增加能量来源，因此振动能的开发和利用已成为各国研究的热点之一。

目前振动式能量捕获同样存在着技术短板，需在今后的研究中重视和突破，缺陷主要集中于新型高效压电材料的研究与应用不够完善；不同类型的振动式能量捕获之间存在着相互干扰；振动式能量捕获输出功率较小，能量转换效率较低等方面。

现如今，振动式能量捕获技术虽存在着一定的技术短板，但结合该技术的固态化电池可有效解决电池续航问题，具有广泛的应用前景。日常生活中存在着大量的振动能量来源，如车载电瓶、手持式通信设备、电脑键盘等，可考虑将其机械能量收集转化并存储至充电电池内部，一方面提高能源的循环利用率，同时使用非污染能源，使能源利用更加绿色环保，具有良好的综合效益。

发明内容

为了充分利用机械器件振动时的剩余振动能源及促进自发电电池的发展，本发明设计了一种利用外部装置振动发电并存储和利用电能的振动式自发电电池。

本发明利用机械装置振动发电的原理依据是振动式能量捕获技术，如今该技术主要包括静电式、压电式和永磁式三种转换方式。其中静电式能量捕获装置可以和微机电系统相结合，但需要额外电压源进行初始化转换，应用限制较大；压电式能量捕获装置主要采用压电材料，利用压电材料的正压电效应使其成为能量转换的媒体，收集并转换环境中其他形式的能量，该装置压电性能稳定，环境适应性强、能量转换效率高；永磁式能量捕获装置的技术原理是法拉第电磁感应定律，变化磁通量中的导体会产生电动势即感应电压，该电压与磁通量的变化率成正比关系。本发明所述振动自发电控制集成式电池的发电方式为机电能量转换方式，通过外部振动机械能与充电电池内部电能的转换可在消耗机械装置振动机械能的同时得到稳定可靠的电能。

本发明的设计方案如下：一种振动自发电控制集成式电池，无需外接电源或其他外部能量输入，能够自动吸收外部机械装置振动机械能，产生并存储电能，该装置电能转换和存储能力强，能量转换效率高，性能稳定。

本电池所涉及的振动式自发电及储能流程为：

外部机械器件振动产生大量的剩余振动能，从而导致其连接的振动能量捕获与升压模块内振动能量捕获单元进行能量捕获，产生捕获电压；