[发明专利]集成自维持式电源

说明书

本公开涉及一种集成自维持式电源，该集成自维持式电源包括：压电能量收集(PEH)梁、位于PEH梁上的电源管理单元(PMU)电路、位于PEH梁上的可充电电池以及正稳压电源输出和负稳压电源输出。PMU电路包括电输入/输出。可充电电池包括负极接入垫和正极接入垫，它们与PMU电路的电输入/输出电连通。正稳压电源输出和负稳压电源输出也与PMU电路的电输入/输出电连通。

技术领域

本发明总体上涉及一种集成自维持式电源模块，其可以被实施为医疗植入物、电子装置、传感系统、物联网(IoT)装置、监控贴片或设备和/或需要自备能源以运行的任何类型的设备的主电源。更具体地，本发明涉及一种作为与可充电电池和电源管理电路集成以向需要无线供电的电子系统供电的能量清除器的压电悬臂梁。

背景技术

图1和图2示出现有技术中所示的两种主要类型的压电能量收集(PEH)电源系统。图1是常规的PEH梁10的示意图，其包括组装在填隙片16的相对主表面上的两个等厚度的压电层12、14(诸如锆钛酸铅(PZT))。然后将PEH梁10在第一端部18(即，第一主要末端)处夹入结构20(即，安装PEH梁的结构)中，形成悬臂梁，并且第二端部22(即，相对的第二主要末端)安装有使悬臂以预定频率振动的激振块24。方向X、Y和Z分别对应于参考方向：沿着梁长度L的方向，沿着梁宽度W的方向和沿着梁厚度T的方向。压电层12、14以相同或相反的极性方向组装并且在压电层12、14的外部主表面上电镀有电极26、28。电极26、28电连接到电源管理单元(PMU)30。在图2中，方向X、Y和Z保持不变并且PEH梁10在第一端部18和第二端部22(相对的末端)处被夹住。激振块24安装在第一端部18和第二端部22之间的相等距离处。

以模式31(图3)或33(图4)运行的普通压电挠性多层或单晶型能量收集器为平行形状并且具有统一的设计。

当受到振动时，激振块24沿Z轴方向上下移动，并且使PEH梁10以根据所施加的加速力的幅度弯曲(偏转)。PEH梁的偏转以相反的方式(牵引/压缩)对压电层12、14施加应力。因此，在弯曲循环期间正电荷和负电荷将分别出现在电极26、28上，并且将由连接到电极26、28的PMU 30收集。无论PMU 30的极性如何，整流器32(图5)都将使PMU 30能够收集所产生的电能，并且将所收集的能量存储到存储单元34(电容器或电池)中。

大多数应用要求存储单元是可充电电池，以确保供电系统的稳定性和可靠性。迄今为止，常规的系统利用商业或定制的电池，这些电池由工厂包装，然后被组装到设备中并且连接到收集组件或其他电子组件。该方法在设计上直接且简单，但是在电池的能量密度和装置的小型化方面还远未优化。

发明内容

在本发明中，可充电电池和PMU电路被设计和制造为PEH装置的集成子组件，以最大化PEH装置的固有性能、小型化程度和定制化，进而适合各个应用并且优化制造成本。

本发明涉及用作挠性机械弹簧的具有一种或几种内部或外部复合的“填隙片”或“梁”材料的多层、双晶或单晶振动机械结构。该结构还集成可以作为附加的子组件组装在PEH装置上或整体地制造到悬臂梁上的固态可充电电池模块，以获得集成自维持式电源模块，其中可充电电池或悬臂梁都不需要独立包装。

本发明的实施例通常旨在被密封地结合到设备壳体中，在壳体中电源模块被固定并且不受外部环境影响。

一般而言，根据本发明的集成自维持式电源包括：压电能量收集(PEH)梁；电源管理单元(PMU)电路，位于PEH梁上并且包括电输入/输出；可充电电池，位于PEH梁上并且包括负极接入垫和正极接入垫，负极接入垫和正极接入垫与PMU电路的电输入/输出电连通；以及正稳压电源输出和负稳压电源输出，与PMU电路的电输入/输出电连通。