本發(fā)明涉及摩擦電發(fā)電系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

摩擦電效應(yīng)基于接觸誘發(fā)起電，其中材料在它通過摩擦與不同的材料接觸之后變得帶電。已經(jīng)提出利用這個(gè)電荷流通過捕獲來自諸如行走、風(fēng)吹、振動(dòng)或海浪之類的源的原本浪費(fèi)的機(jī)械能來給諸如傳感器和智能電話之類的移動(dòng)設(shè)備供電。除作為電源使用以外，還提出了摩擦電效應(yīng)用于在沒有外部電源的情況下感測(cè)。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在其被干擾時(shí)產(chǎn)生電流，所以它們可以用于測(cè)量流速的變化、突然的移動(dòng)或甚至下落的雨滴。

摩擦電效應(yīng)基于根據(jù)各種材料獲得電子（變得帶負(fù)電）或失去電子（變得帶正電）的傾向來對(duì)所述各種材料評(píng)級(jí)的一個(gè)系列。例如在a.f.diaz和r.m.felix-navarro的“asemi-quantitativetribo-electricseriesforpolymericmaterials:theinfluenceofchemicalstructureandproperties”（journalofelectrostatics62(2004)277–290）中公開了這個(gè)系列。產(chǎn)生靜電的材料的最佳組合是來自正電荷列表的材料和來自負(fù)電荷列表的材料（例如，ptfe與銅相對(duì)，或fep與鋁相對(duì)）。摩擦玻璃與毛皮或穿過頭發(fā)的梳子是摩擦電的來自日常生活的公知的示例。

在其最簡(jiǎn)單的形式中，摩擦電發(fā)電機(jī)因此使用不同材料的兩個(gè)片，一個(gè)是電子供體，另一是電子受體。當(dāng)材料接觸時(shí)，電子從一種材料流到另一種材料。如果然后所述片被分離，則一個(gè)片保持通過它們之間的間隙隔離的電荷。如果電氣負(fù)載然后連接到放置在兩個(gè)表面的外邊緣處的兩個(gè)電極，則小電流將流動(dòng)以使電荷均衡。

通過連續(xù)地重復(fù)該過程，可產(chǎn)生交變電流。在該技術(shù)的變形中，材料-最常見的便宜的柔性聚合物-產(chǎn)生電流，如果它們?cè)诜蛛x之前在一起摩擦的話。也提出了產(chǎn)生dc電流的發(fā)電機(jī)。體積功率密度在超過50%的效率下可達(dá)到每立方米超過400千瓦。

可以通過將微米級(jí)圖案貼附到聚合物片來增加功率輸出。圖案化有效地增加接觸面積并且從而增加電荷轉(zhuǎn)移的有效性。

最近，開發(fā)了用于發(fā)電（能量采集）和感測(cè)的新興材料技術(shù)，其利用如在wang,z.l的“triboelectricnanogeneratorsasnewenergytechnologyforself-poweredsystemsandasactivemechanicalandchemicalsensors”（acsnano:131014091722005.doi:10.1021/nn404614z,2013）中公開的這個(gè)效應(yīng)。

基于這個(gè)效應(yīng)，開發(fā)了所謂的摩擦電發(fā)電機(jī)（“teg”）的幾種設(shè)備配置。一些設(shè)備在接觸模式中操作，而其它設(shè)備在摩擦模式中操作。

特別開發(fā)了用于從鞋內(nèi)底發(fā)電的一種配置。這從用戶邁出的腳步發(fā)電，且所生成的功率可例如用于移動(dòng)便攜式設(shè)備的充電。該設(shè)備包括在之字形襯底上形成的多層結(jié)構(gòu)。該設(shè)備基于由于接觸起電所致的表面電荷轉(zhuǎn)移來操作。當(dāng)壓力被施加到所述結(jié)構(gòu)時(shí)，之字形狀被壓縮以創(chuàng)建在不同層之間的接觸，且當(dāng)壓力被釋放時(shí)所述接觸被釋放。細(xì)節(jié)可以在pengbai等人在acsnano20137(4),pp3713-3719中的文章“integratedmultilayeredtriboelectricnanogeneratorforharvestingbiomechanicalenergyfromhumanmotiosn”中找到。

取代使用接觸和非接觸操作模式的是，teg可在滑動(dòng)模式中操作。在adv.mater.2014,26,2818-2824中的文章“freestandingtriboelectric-layer-basednanogeneratorsforharvestingenergyfromamovingobjectofhumanmotionincontactandnon-contactmodes”（中公開了使得能量能夠從滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)被采集的設(shè)計(jì)。獨(dú)立可移動(dòng)層在一對(duì)靜態(tài)電極之間滑動(dòng)。該可移動(dòng)層可被布置成不與靜態(tài)電極接觸（即在靜態(tài)電極上方的小間距處）或它可以形成滑動(dòng)接觸。

已經(jīng)開發(fā)的另一配置是旋轉(zhuǎn)盤teg，其可在接觸或非接觸模式中操作。旋轉(zhuǎn)盤teg典型地由至少一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子組成，所述轉(zhuǎn)子和定子各自形成為一組間隔開的圓形扇區(qū)。扇區(qū)重疊并且然后在兩個(gè)盤相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)分離。在這樣的旋轉(zhuǎn)盤摩擦電發(fā)電機(jī)中，電力通過兩個(gè)主要物理機(jī)制的組合生成：接觸起電之間的耦合（摩擦帶電）和旋轉(zhuǎn)靜電感應(yīng)（由于由附近電荷的影響引起的電荷的再分布所致的平面內(nèi)電荷分離）。

分段地結(jié)構(gòu)化的盤teg的早期版本的限制在于，旋轉(zhuǎn)的和靜止的摩擦電層要求金屬電極的沉積和與電引線的連接，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部分的不方便的操作。此外，緊密接觸對(duì)實(shí)現(xiàn)高效的發(fā)電是強(qiáng)制性的，這導(dǎo)致可能的材料磨損、磨損顆粒、輸出的不穩(wěn)定性和teg的通常有限的壽命。

具有附著到靜止盤上的兩組圖案化電極的盤teg連同旋轉(zhuǎn)盤上的獨(dú)立摩擦電層一起可以解決這些問題，如在longlin等人的“noncontactfree-rotatingdisktriboelectricnanogeneratorasasustainableenergyharvesterandself-poweredmechanicalsensor”（acsappl.mater.interfaces,2014,6(4),pp3031–3038）中公開的。

使用這樣的結(jié)構(gòu)，沒有電極沉積或旋轉(zhuǎn)部分的電連接的必要性，這明顯改進(jìn)了能量采集器的操作便利性。而且，由于這個(gè)新發(fā)電機(jī)構(gòu)的獨(dú)特特征，非接觸自由旋轉(zhuǎn)盤摩擦電納米發(fā)電機(jī)（frd-teg）可在初始接觸起電之后在沒有摩擦的情況下以小的性能損失但優(yōu)秀的耐用性操作，因?yàn)楸砻婺Σ岭婋姾稍诮^緣體表面上保存數(shù)小時(shí)。

存在摩擦電發(fā)電機(jī)的更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，比如基于接觸起電的雙拱形配置。壓力使所述拱形關(guān)閉以形成拱形層之間的接觸，并且當(dāng)壓力被釋放時(shí)拱形返回到開放形狀。還提出了摩擦電納米發(fā)電機(jī)，其被形成為用于從周圍振動(dòng)捕獲能量的諧波諧振器。

teg可以例如生成直到670w/m²的面積功率密度水平的摩擦電。

將清楚的是，存在temg設(shè)備的許多不同的設(shè)計(jì)，每一種設(shè)計(jì)針對(duì)特定的操作模式定制。上文概述并引用了一些示例。一般地，可以識(shí)別四種不同的一般操作模式。

第一模式是垂直接觸-分離模式，其中兩個(gè)或更多個(gè)板通過外加力置于接觸中和脫離接觸。這可在鞋中被使用，其中接觸來源于由用戶步行施加的壓力。上面描述和引用的z字形布置是一個(gè)示例。

第二模式是線性滑動(dòng)模式，其中板被制造成相對(duì)于彼此滑動(dòng)以改變重疊的面積。上面討論的旋轉(zhuǎn)盤teg是一個(gè)示例。這可在波能量采集系統(tǒng)中使用。

第三模式是單電極模式，其中例如一個(gè)表面被接地，例如地板或道路，并且所述移動(dòng)只影響一個(gè)層。

第四模式是獨(dú)立摩擦電層模式，其被設(shè)計(jì)用于從沒有形成到其的電連接的任意移動(dòng)物體采集能量。這個(gè)物體可以是經(jīng)過的汽車、經(jīng)過的火車或鞋。

摩擦電發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)成響應(yīng)于應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)而非常短暫地發(fā)電。運(yùn)動(dòng)的特性影響所生成的電壓或電流，并且吸收能量的最佳負(fù)載隨著運(yùn)動(dòng)而變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，摩擦電發(fā)電機(jī)的一個(gè)問題是，發(fā)電的這種混亂（chaotic）性質(zhì)使得難以在發(fā)電側(cè)與負(fù)載之間提供負(fù)載匹配，負(fù)載匹配是所期望的以優(yōu)化或甚至最大化輸送到負(fù)載的功率。因此，存在對(duì)優(yōu)化或甚至最大化可從摩擦電發(fā)電機(jī)獲得的電力的需要，而不管所生成的電力的可變性，這取決于用于引起發(fā)電的運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的目的是至少部分地解決這個(gè)功率轉(zhuǎn)移問題。

本發(fā)明由獨(dú)立權(quán)利要求限定。從屬權(quán)利要求提供有利的實(shí)施例。

根據(jù)本發(fā)明，提供一種摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括：

摩擦電發(fā)電機(jī)，其響應(yīng)于移動(dòng)生成電功率；

功率轉(zhuǎn)換器，其用于轉(zhuǎn)換來自摩擦電發(fā)電機(jī)的電功率以用于施加到負(fù)載；以及

控制器，其用于控制功率轉(zhuǎn)換器，其中控制器適于控制功率轉(zhuǎn)換器以根據(jù)摩擦電發(fā)電機(jī)輸出改變隨著時(shí)間的過去由功率轉(zhuǎn)換器給予摩擦電發(fā)電機(jī)的阻抗，從而控制輸出功率，

其中控制器適于控制功率轉(zhuǎn)換器以改變?cè)趯?duì)應(yīng)于摩擦電發(fā)電機(jī)的發(fā)電的單個(gè)脈沖的時(shí)間段期間由功率轉(zhuǎn)換器給予摩擦電發(fā)電機(jī)的阻抗。

這種方法可用于在摩擦電發(fā)電機(jī)輸出與功率轉(zhuǎn)換器之間提供改進(jìn)的阻抗匹配，并且從而改進(jìn)到負(fù)載的功率轉(zhuǎn)移。輸出功率可例如被控制到最大輸出功率，雖然也可能控制功率以故意阻止其全功率轉(zhuǎn)移。因此，更一般地，輸出功率被控制以被優(yōu)化，例如考慮到負(fù)載的特性。阻抗被控制，以便實(shí)現(xiàn)期望功率轉(zhuǎn)移特性，而不是例如簡(jiǎn)單地為控制功率轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)期望轉(zhuǎn)換比的結(jié)果。

在本發(fā)明的最基本定義中，負(fù)載不是發(fā)電機(jī)系統(tǒng)或發(fā)電方法的部分。然而，它可以是所述系統(tǒng)或方法的發(fā)電機(jī)部分的部分。

本發(fā)明特別地涉及由摩擦電發(fā)電機(jī)生成的信號(hào)的電處理。本發(fā)明不依賴于摩擦電發(fā)電機(jī)的任何特定的配置，且可應(yīng)用于任何配置。摩擦電發(fā)電機(jī)可是已知的設(shè)計(jì)，并且例如生成具有取決于移動(dòng)的強(qiáng)度的幅度的交變電壓波形。可與本發(fā)明一起使用的摩擦電發(fā)電機(jī)的各種設(shè)計(jì)在本文上面并且也在本文下面被討論。

許多不同類型的功率轉(zhuǎn)換器可以使用實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的控制的方法來操作。例如，升壓轉(zhuǎn)換器具有相對(duì)于它的接通時(shí)間的大致電阻性i-v曲線。通過調(diào)節(jié)接通時(shí)間，可以實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)由功率轉(zhuǎn)換器給予源的阻抗。許多不同的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)湓试S某種阻抗控制方法。摩擦電應(yīng)用的挑戰(zhàn)是在能量輸送循環(huán)期間選擇正確的阻抗，以便最大化輸出功率。

功率轉(zhuǎn)換器可以包括開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器。于是開關(guān)循環(huán)可以被控制以實(shí)現(xiàn)阻抗控制。功率轉(zhuǎn)換器可以例如包括升壓轉(zhuǎn)換器。

控制器適于控制功率轉(zhuǎn)換器以改變?cè)趯?duì)應(yīng)于摩擦電發(fā)電機(jī)的發(fā)電的單個(gè)脈沖的時(shí)間段期間由功率轉(zhuǎn)換器給予摩擦電發(fā)電機(jī)的阻抗。以這種方式，在發(fā)電的每個(gè)單獨(dú)脈沖過程期間創(chuàng)建具有期望形狀的阻抗函數(shù)。注意到，摩擦電發(fā)電機(jī)一般地輸送電功率的這樣的脈沖。

在第一組示例中，移動(dòng)傳感器可以被提供用于檢測(cè)用于生成電功率的移動(dòng)，其中控制器適于響應(yīng)于移動(dòng)傳感器輸出而控制功率轉(zhuǎn)換器。通過感測(cè)移動(dòng)（其可以是例如位移、速度或加速度的度量），可以推斷出所生成的功率信號(hào)的性質(zhì)，從該性質(zhì)中可以導(dǎo)出給予發(fā)電機(jī)的最合適的阻抗。

例如，可以提供移動(dòng)類型和相關(guān)聯(lián)的阻抗函數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中控制器適于基于移動(dòng)傳感器輸出來選擇移動(dòng)類型?？梢杂眠@種方式將所感測(cè)的運(yùn)動(dòng)解釋為落到特定的移動(dòng)類別中，并且然后可以選擇相對(duì)于時(shí)間的阻抗函數(shù)。可替換地，移動(dòng)的速度、加速度或位移可以直接映射到對(duì)應(yīng)的阻抗值，而無(wú)需到移動(dòng)類型中的任何分類。

在第二組示例中，控制器可以適于分析所生成的電功率并確定移動(dòng)類型，其中系統(tǒng)再次進(jìn)一步包括移動(dòng)類型和相關(guān)聯(lián)的阻抗函數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

在這種情況下，分析所生成的電功率以確定信號(hào)的性質(zhì)，而不是從所感測(cè)的移動(dòng)推斷該性質(zhì)。舉例而言，控制器可以適于分析一般電功率的脈沖的初始電壓和/或電流分布，以便確定移動(dòng)類型。

可以例如分析所生成的電功率的脈沖的初始電壓和/或電流的變化率，以便確定移動(dòng)類型。

在另一組示例中，功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)可以用于調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器輸入阻抗并監(jiān)控功率轉(zhuǎn)移，以確定適當(dāng)?shù)墓β兽D(zhuǎn)換器輸入阻抗。

系統(tǒng)可以包括基于鞋或地板的發(fā)電系統(tǒng)，其中功率從用戶將腳步壓力施加到系統(tǒng)生成。由用戶邁出的腳步給出相當(dāng)大的力（例如500n），其因此可以用于生成相當(dāng)大數(shù)量的輸出功率，例如用于給照明設(shè)備供電或給移動(dòng)便攜式設(shè)備供電或充電。

控制器可以例如適于檢測(cè)腳步頻率并應(yīng)用取決于腳步頻率的阻抗設(shè)置模式。

根據(jù)本發(fā)明，還提供一種摩擦電發(fā)電方法，包括：

使用摩擦電發(fā)電機(jī)響應(yīng)于移動(dòng)而生成電功率；

轉(zhuǎn)換來自摩擦電發(fā)電機(jī)的電功率以使它適合于施加到負(fù)載；以及

控制功率轉(zhuǎn)換器以根據(jù)摩擦電發(fā)電機(jī)輸出改變?cè)趯?duì)應(yīng)于摩擦電發(fā)電機(jī)的發(fā)電的單個(gè)脈沖的時(shí)間段期間隨著時(shí)間的過去由功率轉(zhuǎn)換器給予摩擦電發(fā)電機(jī)的阻抗，從而控制輸出功率。

可以檢測(cè)用于生成電功率的移動(dòng)，并且隨后響應(yīng)于檢測(cè)到的移動(dòng)而控制功率控制器。然后可以確定移動(dòng)類型，并且可以實(shí)施從移動(dòng)類型到相關(guān)聯(lián)的阻抗函數(shù)的映射。可替換地，功率轉(zhuǎn)換器輸入阻抗可以被調(diào)制并且功率轉(zhuǎn)移被監(jiān)控，以確定適當(dāng)?shù)墓β兽D(zhuǎn)換器輸入阻抗。這實(shí)現(xiàn)了功率點(diǎn)跟蹤。

附圖說明

現(xiàn)在將參考隨附的示意圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例，其中：

圖1示出摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第一示例；

圖2示出摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第二示例；

圖3示出摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第三示例；

圖4示出在兩種不同的移動(dòng)類型和相關(guān)聯(lián)的阻抗函數(shù)之間的映射；

圖5示出摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第四示例；以及

圖6示出摩擦電發(fā)電方法。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其使用功率轉(zhuǎn)換器根據(jù)摩擦電發(fā)電機(jī)輸出在摩擦電發(fā)電機(jī)與負(fù)載之間提供可控的阻抗。這實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的功率轉(zhuǎn)移，即使由摩擦電發(fā)電機(jī)生成的輸出可能是不規(guī)則的并隨著時(shí)間而波動(dòng)。

圖1示出基于用于提供阻抗控制的升壓轉(zhuǎn)換器的可能的摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第一示例。

該系統(tǒng)包括響應(yīng)于移動(dòng)而生成電功率的摩擦電發(fā)電機(jī)1。

摩擦電發(fā)電機(jī)是已知的設(shè)計(jì)，并且例如生成具有取決于移動(dòng)的強(qiáng)度的幅度的交變電壓波形。上面討論了摩擦電發(fā)電機(jī)的各種設(shè)計(jì)。本發(fā)明特別涉及由摩擦電發(fā)電機(jī)生成的信號(hào)的電處理。本發(fā)明不依賴于摩擦電發(fā)電機(jī)的任何特定配置，并可以應(yīng)用于任何配置。特別地，所有摩擦電發(fā)電機(jī)提供輸出，該輸出本質(zhì)上是脈動(dòng)的并且一般地不具有隨時(shí)間的干凈的正弦振幅。

功率轉(zhuǎn)換器2用于轉(zhuǎn)換來自摩擦電發(fā)電機(jī)1的電功率以用于施加到負(fù)載3?？刂破?用于控制功率轉(zhuǎn)換器2，其中控制器適于控制功率轉(zhuǎn)換器以根據(jù)摩擦電發(fā)電機(jī)輸出來改變由功率轉(zhuǎn)換器2給予摩擦電發(fā)電機(jī)1的阻抗。

功率轉(zhuǎn)換器2包括將整流電壓供應(yīng)到dc-dc升壓轉(zhuǎn)換器12的全橋二極管整流器10，dc-dc升壓轉(zhuǎn)換器12在控制器4的控制下取決于被給予摩擦電發(fā)電機(jī)1的所需阻抗水平來提供電壓升壓。升壓轉(zhuǎn)換器輸出被提供到負(fù)載3。在其它示例中，可以使用半橋整流器，或可替換地，發(fā)電機(jī)1可以輸送dc輸出。

升壓轉(zhuǎn)換器包括在輸入端與第一（回掃）二極管22的陽(yáng)極之間的電感器20，第一二極管22的陰極連接到第一輸出端子23，晶體管24充當(dāng)連接在第一二極管22的陽(yáng)極與第二輸出端子26之間的控制開關(guān)。晶體管24由控制器4切換。圖1還示出跨負(fù)載3連接的平滑電容器28。

晶體管24的開關(guān)以已知的方式控制升壓轉(zhuǎn)換器的操作。特別地，通過改變占空比，電壓升壓因子被控制。占空比還改變升壓轉(zhuǎn)換器12的輸入阻抗，并且本發(fā)明利用功率轉(zhuǎn)換器的控制，主要目標(biāo)是控制功率轉(zhuǎn)換器2的輸入阻抗而不是控制輸出電壓。

控制器4因此起作用來將指示期望輸入阻抗的控制信號(hào)29轉(zhuǎn)換成要被應(yīng)用于晶體管24的所需占空比。

通過在功率轉(zhuǎn)換器2與摩擦電發(fā)電機(jī)1之間提供阻抗匹配，到負(fù)載的功率轉(zhuǎn)移可以被最大化。

升壓轉(zhuǎn)換器例如被設(shè)計(jì)成將電流輸送到輸出端，該輸出端由負(fù)載（或附加的存儲(chǔ)電容器）的電容保持在穩(wěn)定電壓處。至少在摩擦電發(fā)電的脈沖的持續(xù)時(shí)間的規(guī)模處，輸出電壓保持恒定。特別地，輸出電容將保持比在功率輸送循環(huán)中輸送的能量明顯更多的能量-使輸出電壓大致穩(wěn)定。

電路可以用于將功率提供到各種各樣的不同的可能負(fù)載。示例包括小電路系統(tǒng)，例如設(shè)備的主控制單元（“mcu”）或led光照。

針對(duì)在輸入端與輸出端之間的適當(dāng)轉(zhuǎn)換比，選擇功率轉(zhuǎn)換器的類型。在給定功率轉(zhuǎn)換器設(shè)置（例如接通周期t_on或占空比）處且在存儲(chǔ)在大輸出電容上的穩(wěn)定輸出電壓的情況下，一系列輸入電壓可以被轉(zhuǎn)換，但它們都將導(dǎo)致提供到負(fù)載的不同輸入電流。

圖1中所示的類型的升壓轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗與輸入時(shí)間接通的關(guān)系為r_in=2l/ton。

l是電感，且ton是主控制晶體管的接通周期。參數(shù)ton是升壓轉(zhuǎn)換器的典型控制變量。阻抗可以在每個(gè)轉(zhuǎn)換循環(huán)被有效地控制，其中具有由于輸入電容所致的一些延遲。

在10次轉(zhuǎn)換器循環(huán)之后具有明顯不同的阻抗一般是容易可獲得的-所以在100khz下操作的典型升壓轉(zhuǎn)換器可以相當(dāng)容易地具有在10khz下或每0.1ms的新阻抗。

這意味著可以創(chuàng)建在單獨(dú)的發(fā)電脈沖的過程期間適應(yīng)的阻抗分布。例如，由腳步在地板上形成的撞擊可以具有大約0.1s的持續(xù)時(shí)間。基于具有100khz循環(huán)頻率的功率轉(zhuǎn)換器，這實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)發(fā)電脈沖的過程期間的1000次阻抗調(diào)節(jié)。因此，可以創(chuàng)建在發(fā)電脈沖的過程期間適應(yīng)的期望阻抗分布。同樣的情況也適用于其它用途，比如跟隨波（具有較長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間）的移動(dòng)和由經(jīng)過的汽車（具有較短的脈沖持續(xù)時(shí)間）引起的壓縮。

典型地，在發(fā)電脈沖的過程期間阻抗水平被控制至少10次和更多次、優(yōu)選地至少20次。以這種方式，創(chuàng)建本質(zhì)上模擬的阻抗函數(shù)。發(fā)電脈沖典型地具有在1ms（例如汽車以50m/s前進(jìn)5cm的時(shí)間）與10s（例如水波周期）之間的持續(xù)時(shí)間。

用于生成摩擦電能量的機(jī)械移動(dòng)的性質(zhì)將確定最合適的功率轉(zhuǎn)換器的類型和細(xì)節(jié)二者以及還有阻抗函數(shù)的分辨率，以及阻抗函數(shù)被生成的方式。如從下面的示例將領(lǐng)會(huì)的是，可以響應(yīng)于移動(dòng)的性質(zhì)完全實(shí)時(shí)地創(chuàng)建阻抗函數(shù)，要不然移動(dòng)的性質(zhì)被用于一組先前確定的阻抗函數(shù)中選定的阻抗函數(shù)。

其它類型的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟惨罁?jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)置調(diào)節(jié)它們的輸入阻抗。

圖1的示例利用升壓轉(zhuǎn)換器。然而，相同的方法可以更一般地用于開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，例如降壓或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

如圖1所示，控制信號(hào)29用于控制功率轉(zhuǎn)換器。這個(gè)控制信號(hào)取決于來自摩擦電發(fā)電機(jī)的輸出。它可以以用多種不同的方式獲得。

在圖2中示出第一示例，其中傳感器30用于檢測(cè)由摩擦電發(fā)電機(jī)用來生成功率的運(yùn)動(dòng)。傳感器輸出充當(dāng)被輸入到控制器4的控制信號(hào)29，并因此被用于調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器以在正確的阻抗下操作?？刂破?可以實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)的速度或位移與期望阻抗值之間的直接關(guān)系，要不然它可以選擇一組預(yù)定阻抗函數(shù)（相對(duì)于時(shí)間）中的一個(gè)阻抗函數(shù)。

為了這個(gè)目的，控制器4可以包括移動(dòng)類型和相關(guān)聯(lián)的阻抗函數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)32。所感測(cè)的移動(dòng)可以例如被解釋為落到特定的移動(dòng)類別中，并且然后可以選擇相對(duì)于時(shí)間的阻抗函數(shù)。

取代使用移動(dòng)傳感器的是，控制器4可以從來自摩擦電發(fā)電機(jī)的信號(hào)輸出的特性導(dǎo)出移動(dòng)類型。在圖3中示出這種方法。與圖2相比的差異在于，取代移動(dòng)傳感器的是，提供電信號(hào)分析器40。這可以跟蹤從摩擦電發(fā)電機(jī)1輸出的電壓、或電流或功率。

在圖3中還示意性示出數(shù)據(jù)庫(kù)32的操作。存在所示的數(shù)據(jù)庫(kù)條目值，e1至e4。

每個(gè)條目例如表示電壓的初始變化率的值的特定范圍，或在所生成的功率脈沖的開始之后要達(dá)到一定電壓所需的時(shí)間的值的特定范圍。

這些條目然后確定若干特征運(yùn)動(dòng)中的哪些引起發(fā)電。

例如，使攜帶摩擦電發(fā)電機(jī)的設(shè)備落下可以創(chuàng)建dv/dt的非常高的值，而推進(jìn)可以創(chuàng)建dv/dt的較慢的值。所確定的特性然后用于選擇使用哪個(gè)阻抗分布。示出四個(gè)這樣的阻抗分布，每個(gè)包括阻抗（y軸）相對(duì)于時(shí)間（x軸）的函數(shù)。阻抗分布目的在于優(yōu)化從移動(dòng)提取的能量。在a軸上的總時(shí)間對(duì)應(yīng)由摩擦電發(fā)電機(jī)輸送的能量的單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間，其進(jìn)而對(duì)應(yīng)于循環(huán)物理移動(dòng)的一個(gè)脈沖。控制器將期望阻抗分布轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的占空比函數(shù)，其然后可以應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換器的主晶體管。當(dāng)然，電流或功率分布可以用于選擇期望阻抗函數(shù)而不是電壓分布。

圖4示出可能的電壓相對(duì)于時(shí)間的函數(shù)的兩個(gè)示例，其可以響應(yīng)于不同的移動(dòng)類型從摩擦電發(fā)電機(jī)預(yù)期。

圖4（a）示出當(dāng)大且快的壓力施加到摩擦電發(fā)電機(jī)時(shí)生成的電壓波形。它由電壓的大初始變化率表征。這被轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的阻抗函數(shù)。這可以匹配電壓函數(shù)的形狀，但適于使得它表示可以在實(shí)踐中通過功率轉(zhuǎn)換器的控制實(shí)現(xiàn)的阻抗函數(shù)。

圖4（b）示出當(dāng)較小且較慢的壓力變化施加到摩擦電發(fā)電機(jī)時(shí)生成的電壓波形。它由電壓的較低初始變化率表征。這再次被轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的阻抗函數(shù)。

用于確定最合適的阻抗函數(shù)的可替換方法是使用功率點(diǎn)跟蹤。在圖5中示出這種方法。與圖2相比的差異在于，取代移動(dòng)傳感器的是，提供功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)50。

功率點(diǎn)跟蹤已知用于控制施加到太陽(yáng)能電池以便最大化功率的負(fù)載電阻。相同的方法可以應(yīng)用于摩擦電發(fā)電機(jī)輸出，以便確定要由功率轉(zhuǎn)換器給出的適當(dāng)負(fù)載。

系統(tǒng)50結(jié)合控制器4調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器輸入阻抗并監(jiān)控功率轉(zhuǎn)移，以確定適當(dāng)?shù)墓β兽D(zhuǎn)換器輸入阻抗。

例如，可以使用正弦波或方波來調(diào)制轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。引發(fā)最大功率的阻抗值可以用于確定應(yīng)被施加的阻抗水平。

可以通過監(jiān)控摩擦電發(fā)電機(jī)的輸出并且因而監(jiān)控轉(zhuǎn)換器輸入來測(cè)量功率轉(zhuǎn)移。在基本水平處，最高可能的功率是期望的，即ixv。這可以在輸入（iin*vin）處或在輸出（iout*vout）處被測(cè)量，或可以實(shí)施更特定于特定轉(zhuǎn)換器的計(jì)算。簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可以改變ton（轉(zhuǎn)換器控制參數(shù)）以找到iin*vin的最高值。更精細(xì)的例程是可能的。

如果生成移動(dòng)特別快，則ton的值可以在先前觀察的圖案中隨著時(shí)間（例如在隨后的循環(huán)中隨著不同的ton值）變化以導(dǎo)致較高的輸出功率。這然后避免對(duì)實(shí)時(shí)處理的需要以導(dǎo)出所有阻抗調(diào)節(jié)。然后這個(gè)圖案可以變化。

系統(tǒng)的可能使用的一個(gè)示例是作為基于鞋或地板的發(fā)電系統(tǒng)的部分，其中功率從將腳步壓力施加到系統(tǒng)的用戶生成。

上面已經(jīng)討論和引用了可以用于這種類型的系統(tǒng)的摩擦電發(fā)電機(jī)的類型的一個(gè)示例。一般地，基于鞋或地板的系統(tǒng)將使用設(shè)計(jì)用于接觸、非接觸循環(huán)的發(fā)電機(jī)操作。循環(huán)的接觸部分由腳步壓力誘發(fā)。這種類型的系統(tǒng)可以例如在舞廳或俱樂部中使用以生成用于照明的功率。摩擦電發(fā)電在較高壓力下更有效，所以在鞋中或在地毯、墊子或小地毯下的使用是發(fā)電系統(tǒng)的有效使用。

如上面解釋的，系統(tǒng)可以包括用于不同類型的運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)查找表。對(duì)于基于鞋或地板的摩擦電發(fā)電系統(tǒng)，預(yù)期負(fù)載分布（和對(duì)應(yīng)的阻抗分布）可以例如默認(rèn)為與行走相關(guān)聯(lián)的分布，因?yàn)檫@將是占優(yōu)勢(shì)的負(fù)載情形。

然而可能存在這樣的情形：其中用戶移動(dòng)到另一模式（跑步、跳舞等）中且一般地將在延長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)維持這個(gè)新模式，例如至少幾分鐘。在這種情況下，如果針對(duì)例如2個(gè)或更多個(gè)步驟檢測(cè)到新運(yùn)動(dòng)，可以例如誘發(fā)模式轉(zhuǎn)變。不同的模式可以與具有不同的阻抗函數(shù)分布的不同查找表相關(guān)聯(lián)。

也可以考慮到腳步頻率來選擇阻抗分布。一般地，腳步的速率在行走期間以在跑步期間相比更低。由于這個(gè)原因，系統(tǒng)可以學(xué)會(huì)根據(jù)腳步的頻率調(diào)節(jié)模式。這將在基于鞋的系統(tǒng)中最好地工作，因?yàn)榘l(fā)電系統(tǒng)與單獨(dú)的用戶而不是與可以在各自可能以不同的方式表現(xiàn)的不同用戶之間共享的一般區(qū)域相關(guān)聯(lián)。

模式選擇也可以取決于相位信息和相應(yīng)的圖案識(shí)別。一般地，腳步的速率在行走期間和在跑步期間相當(dāng)有規(guī)律，但在跳舞期間的相位改變（例如對(duì)于快步舞，慢、快、快、慢等）。由于這個(gè)原因，系統(tǒng)可以學(xué)會(huì)根據(jù)腳步的圖案來調(diào)節(jié)模式。對(duì)于快步，系統(tǒng)將潛在地每2步從查找表?xiàng)l目“快”（其中腳的較快撞擊被預(yù)期）切換到查找表?xiàng)l目“慢”（其中腳的較輕撞擊被預(yù)期）。

再次，這將在基于鞋的系統(tǒng)中最好地工作，其中一個(gè)用戶的行為被跟蹤。

圖6示出可以由上面描述的各種可能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的摩擦電發(fā)電方法。該方法包括在步驟60中使用摩擦電發(fā)電機(jī)響應(yīng)于移動(dòng)生成電功率。在步驟62中，來自摩擦電發(fā)電機(jī)的電功率被轉(zhuǎn)換以用于施加到負(fù)載，而在步驟64中，功率轉(zhuǎn)換器被控制以根據(jù)摩擦電發(fā)電機(jī)輸出而改變由功率轉(zhuǎn)換器給予摩擦電發(fā)電機(jī)的阻抗。

如上面解釋的，本發(fā)明補(bǔ)償來自摩擦電發(fā)電機(jī)的能量脈沖的形狀。一種通用方法是足夠快地提供功率點(diǎn)跟蹤以遵循脈沖的形狀。另一種通用方法是存儲(chǔ)涉及不同的脈沖形狀的信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中不同的脈沖形狀對(duì)應(yīng)于不同類型的運(yùn)動(dòng)。在后一情況下，運(yùn)動(dòng)的類型被檢測(cè)或推斷，并且接著從數(shù)據(jù)庫(kù)獲得對(duì)應(yīng)的信息。該信息然后用于在接收的能量的脈沖期間控制阻抗。

可以例如通過具有存儲(chǔ)的模式的數(shù)據(jù)庫(kù)但也實(shí)現(xiàn)功率點(diǎn)跟蹤以重調(diào)這些圖案或基于功率點(diǎn)跟蹤疊加附加的控制來組合這兩種方法。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐要求保護(hù)的發(fā)明時(shí)，通過研究附圖、公開內(nèi)容和隨附權(quán)利要求，可以理解和實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施例的其它變形。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”不排除多個(gè)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中敘述某些措施的僅有事實(shí)并不指示這些措施的組合不能用于獲益。權(quán)利要求中的任何參考標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)解釋為限制范圍。

總之，本發(fā)明涉及一種摩擦電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其使用功率轉(zhuǎn)換器根據(jù)摩擦電發(fā)電機(jī)輸出在摩擦電發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間提供可控制阻抗。這實(shí)現(xiàn)了從發(fā)電機(jī)到負(fù)載的改進(jìn)的功率轉(zhuǎn)移，即使由摩擦電發(fā)電機(jī)生成的輸出可能是不規(guī)則的并且隨時(shí)間波動(dòng)。