[发明专利]一种道岔连接销振动能量收集电路、模块及系统

说明书

本发明公开了一种道岔连接销振动能量收集电路、模块及系统，该电路包括电荷泵、升压控制电路、储能电路和电源管理电路，电荷泵连接升压控制电路，升压控制电路连接储能电路，升压控制电路连接电源管理电路，电源管理电路连接电荷泵，在振动能量收集电路的基础上增加振动发电机以及备用电源，为监测设备供电，其可以在较低的启动电流和启动电压工作，适应低振动幅值条件下的能量收集工况，采用分级式能量管理模式，可以在不同能量输入级别保持较高的工作效率，无需外部有源芯片和偏置电压，无需额外辅助电源。

技术领域

本发明属于振动发电技术领域，具体涉及一种道岔连接销振动能量收集电路及系统。

背景技术

振动发电指一种利用电磁感应原理，把振动机械能转变为电能的方法，该方法一般基于振动发电机这个设备进行各种后续设计。

振动发电技术已经有些历史了，而人们也依然在开发更多这类能够将机械能转变成电能的工具。荷兰一家夜总会利用弹簧地板收集人们舞动时的能量并且将其转化为电能供应照明，已经成了新能源行业的一个经典案例，这是将较大幅度的振动转换为电能并且用于生活照明的实例。振动发电机是通过电磁感应来完成能量转换的。电磁感应则是通过将线圈放置在一个变化的磁场中产生，这个过程和大型发电厂的大型发电机类似。振动发电机可以做成纽扣电池一般大小，非常适合于在振动环境下为小型设备进行供电，其能源清洁，无需考虑充电问题，维护极少，可以一直服役到物理损坏位置而基本无需检修，是非常理想的小型供电装置。

在2007年，英国南安普顿大学的一个研究小组就已经开发出了如同方糖大小的振动发电机，并且试图将其用于工业领域的传感器上，例如煤矿、油田、化工厂或者其他类似恶劣环境下的监控设备等等。

现有技术中的振动发电过程都是针对较为强烈的振动环境，面对较为微弱的振动，往往做不到稳定高效的发电需求。

发明人在实际使用过程中发现，这些现有技术至少存在以下技术问题：

1.现有的全桥整流电路中的硅二极管的压降较高，单个二极管的压降约为 0.6V左右，振动能量换能装置的原始电压形式类似于交流电压，有正负之分，在阻性负载下，启动电压和电流较高，不利于微弱振动能量的收集。而有源二极管电路中比较器的偏置电压依靠偏置电路提供，偏置电路的输出电压设置为 0.7V左右，需要额外的系统电源供给。

2.对于压电振动能量提取电路，整个电路功能均由模拟电子元器件实现。模拟电路对温度漂移敏感，在环境恶劣的铁路道岔区的适用性存在挑战，且该电路中采用了变压器原边线圈和副边线圈，会大幅度降低电路的能量转换效率。压电式恒力弹簧或弯曲布置能量收集装置以转换直接压力产生的能量为主，不适用于以间接振动为主导的应用场景，如铁路道岔区连接销的振动能量收集。

3.现有的能量采集器将振动能转换为电能首先将电能储存在储能单元上。储能单元上电压增加，在未达到3.5V时，反馈电路无法产生反馈信号，开关电路关断，电源管理电路的输出为零。当储能单元上电压增长高于3.5V时，系统才开始工作。但铁路道岔连接销处的振动幅值小，振动能量转换电压幅值约为几百mV级别，不适应于铁路发电的需求。

4.现有的能量收集系统分别采用四种不同的集成芯片,对不同的能量源（太阳能、温度差、电磁能等）进行DC-DC能量转换，系统复杂且兼容性差。现有的微能量采集控制电路包括用于采集输出控制模块的输出端 VOUT 电压并反馈至控制器的输出采样模块，控制器根据输入采样模块和输出采样模块的输出电压获得微能量采集控制电路的最大功率点追踪，但单片机芯片本身是有源器件，需要外部电源供给，不能实现完全自主运行的需求。

发明内容