本發(fā)明涉及摩擦發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

從生活環(huán)境中采集能量，被廣泛視為實(shí)現(xiàn)綠色能源和能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，將有望在無線傳輸系統(tǒng)、植入式醫(yī)療器件乃至消費(fèi)類電子的供能中發(fā)揮重要作用?；谀Σ疗痣娕c靜互感線圈應(yīng)原理，通過簡單低成本的加工制備的微型摩擦發(fā)電機(jī)可以完成對(duì)周圍環(huán)境機(jī)械能的高效率采集，實(shí)現(xiàn)高輸出功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率。但現(xiàn)有摩擦發(fā)電機(jī)的輸出具有高輸出電壓、低輸出電流的特點(diǎn)，使得能量轉(zhuǎn)換變得極其困難，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，典型的摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理電路主要由整流橋完成交直流轉(zhuǎn)換、變壓器實(shí)現(xiàn)降壓和穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。根據(jù)作用方式不同，摩擦發(fā)電機(jī)主要分為兩大類：接觸分離式和平面滑動(dòng)式。除了平面滑動(dòng)式在相同頻率作用下能輸出穩(wěn)定的類似正弦信號(hào)外，大多數(shù)發(fā)電機(jī)輸出的為頻率不穩(wěn)的脈沖信號(hào)，這種特點(diǎn)使得絕大多數(shù)電能在用變壓器降壓的過程中損失掉，從而降低整個(gè)能量管理系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，極大地限制了摩擦發(fā)電機(jī)的實(shí)用價(jià)值。

若直接用摩擦發(fā)電機(jī)向電能存儲(chǔ)單元(如電容)充電，則由于摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部電容影響，電能存儲(chǔ)效率隨著存儲(chǔ)電容值的增大會(huì)急劇地下降。雖然使用電容式變壓器能夠?qū)Σ煌l率的摩擦信號(hào)實(shí)現(xiàn)很好的適應(yīng)與兼容，但對(duì)應(yīng)的開關(guān)的數(shù)量會(huì)隨著發(fā)電機(jī)陣列的增加而指數(shù)式增長，且機(jī)械開關(guān)的使用會(huì)極大增加能量管理單元的復(fù)雜性，不利于能量管理單元的小型化與集成化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)有效地利用摩擦發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理系統(tǒng)，包括：摩擦發(fā)電機(jī)、整流模塊、控制電路模塊、開關(guān)電路和互感線圈，所述摩擦發(fā)電機(jī)、整流模塊、開關(guān)電路和互感線圈依次串聯(lián)連接，所述控制電路模塊與所述整流模塊、開關(guān)電路連接，所述開關(guān)電路中的開關(guān)初始處于斷開狀態(tài)；

所述摩擦發(fā)電機(jī)，用于將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并產(chǎn)生交流電能信號(hào)，將所述交流電能信號(hào)傳輸給整流模塊；

所述整流模塊，用于對(duì)接收到的交流電能信號(hào)進(jìn)行整流處理，輸出直流電能信號(hào)；

所述控制電路模塊，用于檢測(cè)所述整流模塊輸出的直流電能信號(hào)的峰值，當(dāng)該峰值達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，產(chǎn)生開關(guān)閉合控制信號(hào)，通過該開關(guān)閉合控制信號(hào)控制開關(guān)電路中的開關(guān)閉合；

所述互感線圈，用于當(dāng)所述開關(guān)電路中的開關(guān)閉合后，利用與所述摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電容之間的LC振蕩，接收所述摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電容轉(zhuǎn)移過來的電能。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括：能量存儲(chǔ)單元：

所述互感線圈，用于包括互相隔離的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，通過初級(jí)線圈接收所述摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電容轉(zhuǎn)移過來的電能，并通過次級(jí)線圈將電能轉(zhuǎn)移到所述能量存儲(chǔ)單元；

所述能量存儲(chǔ)單元，用于通過二極管與所述互感線圈相連，利用內(nèi)部的存儲(chǔ)電容與所述互感線圈之間的LC振蕩，接收并存儲(chǔ)所述互感線圈的次級(jí)線圈轉(zhuǎn)移過來的電能。

進(jìn)一步地，所述整流模塊包括半波整流電路、全波整流電路或者橋式整流電路。

進(jìn)一步地，所述控制電路模塊包括比較器、邏輯電路和/或信號(hào)發(fā)生器。

進(jìn)一步地，所述開關(guān)電路中的開關(guān)為機(jī)械開關(guān)、三極管或者M(jìn)EMS開關(guān)。

進(jìn)一步地，所述互感線圈包括分立互感線圈或者耦合互感線圈，所述互感線圈的電感值為1μH-1H。

進(jìn)一步地，所述能量存儲(chǔ)模塊包括儲(chǔ)能電容、儲(chǔ)能電容、鋰電池和/或超級(jí)電容器的并聯(lián)組合。

進(jìn)一步地，所述控制電路模塊與所述能量存儲(chǔ)模塊連接，所述能量存儲(chǔ)模塊對(duì)所述控制電路模塊提供電源。

由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)通過利用LC振蕩原理，可實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電機(jī)最大化輸出，通過控制電路單元與開關(guān)的搭配使用，能夠從摩擦發(fā)電機(jī)中獲取最大能量，可實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能到電能存儲(chǔ)單元的高效率轉(zhuǎn)移，最大化利用摩擦發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能，能明顯提高摩擦發(fā)電機(jī)的實(shí)用價(jià)值。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的能量管理系統(tǒng)的一種電路組成方式；

圖3為使用本發(fā)明實(shí)施例的能量管理系統(tǒng)的交流到恒定電壓轉(zhuǎn)換效率示意圖；

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

為便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個(gè)具體實(shí)施例為例做進(jìn)一步的解釋說明，且各個(gè)實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于LC振蕩原理，實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電機(jī)輸出高效率能量管理單元?；谀Σ涟l(fā)電機(jī)是一個(gè)變電容式器件的特點(diǎn)，首先獲取在一個(gè)工作周期中，摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部電容上存儲(chǔ)的最大電量，利用控制電路通斷，實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電機(jī)的最大能量輸出循環(huán)。其次采用互感線圈與發(fā)電機(jī)內(nèi)部電容形成LC回路，并通過控制電路精確控制電路接通時(shí)機(jī)，使得在一個(gè)工作周期中，摩擦發(fā)電機(jī)存儲(chǔ)在內(nèi)部電容上的電能能夠完全轉(zhuǎn)移到互感線圈上。在此之后，再通過控制電路實(shí)現(xiàn)互感線圈到能量存儲(chǔ)單元間的電能轉(zhuǎn)移。通過以上過程，實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電機(jī)的高效率能量管理。

實(shí)施例一

下面結(jié)合附圖1-圖2闡述本發(fā)明提供的基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，本系統(tǒng)由摩擦發(fā)電機(jī)、整流模塊、控制電路模塊、開關(guān)電路、互感線圈與能量存儲(chǔ)單元構(gòu)成。所述摩擦發(fā)電機(jī)、整流模塊、開關(guān)電路和互感線圈依次串聯(lián)連接，所述控制電路模塊與所述整流模塊、開關(guān)電路連接，所述開關(guān)電路中的開關(guān)初始處于斷開狀態(tài)。

所述摩擦發(fā)電機(jī)，用于將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并產(chǎn)生交流電能信號(hào)，將所述交流電能信號(hào)傳輸給整流模塊；

所述整流模塊用于將摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流(AC)電能信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?DC)電能信號(hào)，可以采用半波整流電路、全波整流電路、橋式整流電路等。

所述控制電路模塊，用于檢測(cè)所述整流模塊輸出的直流電能信號(hào)的峰值，當(dāng)該峰值達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，產(chǎn)生開關(guān)閉合控制信號(hào)，通過該開關(guān)閉合控制信號(hào)控制開關(guān)電路中的開關(guān)閉合；

所述互感線圈，用于包括互相隔離的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，當(dāng)所述開關(guān)電路中的開關(guān)閉合后，利用與所述摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電容之間的LC振蕩，通過初級(jí)線圈接收所述摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電容轉(zhuǎn)移過來的電能，并通過次級(jí)線圈將電能轉(zhuǎn)移到所述能量存儲(chǔ)單元；

所述能量存儲(chǔ)單元，用于通過二極管與所述互感線圈相連，利用內(nèi)部的存儲(chǔ)電容與所述互感線圈之間的LC振蕩，接收并存儲(chǔ)所述互感線圈的次級(jí)線圈轉(zhuǎn)移過來的電能。

所述控制電路模塊與整流模塊、開關(guān)電路、能量存儲(chǔ)模塊相連，用于控制開關(guān)的閉合與否，預(yù)處理摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)，在整流模塊輸出的直流電能信號(hào)達(dá)到極大值時(shí)，產(chǎn)生開關(guān)閉合控制信號(hào)，通過該開關(guān)閉合控制信號(hào)控制開關(guān)電路中的開關(guān)閉合。該控制電路模塊包括比較器、邏輯電路和/或信號(hào)發(fā)生器，完成相應(yīng)功能。當(dāng)控制電路模塊由邏輯電路組成時(shí)，首先由比較器和反相器構(gòu)成峰值檢測(cè)電路，用于檢測(cè)直流電能信號(hào)的峰值，達(dá)到峰值時(shí)，輸出開關(guān)閉合控制信號(hào)。

所述開關(guān)電路與整流模塊、互感線圈串聯(lián)連接，開關(guān)電路的控制信號(hào)由控制電路模塊產(chǎn)生，初始開關(guān)為斷開狀態(tài)，開關(guān)可以是機(jī)械開關(guān)、三極管、MEMS開關(guān)等能夠控制電路通斷的功能器件。

所述互感線圈是感性元件，與開關(guān)電路、整流模塊串聯(lián)連接，可以采用分立互感線圈、耦合互感線圈，互感線圈值大小區(qū)間為1μH-1H。

所述能量存儲(chǔ)模塊可以包括儲(chǔ)能電容、儲(chǔ)能電容、鋰電池和/或超級(jí)電容器的并聯(lián)組合。

所述控制電路的電源由能量存儲(chǔ)模塊提供。

該實(shí)施例還提供了一種基于LC振蕩原理、適用于摩擦發(fā)電機(jī)的能量管理系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟：

1)、摩擦發(fā)電機(jī)的輸出兩端與整流器相連，摩擦發(fā)電機(jī)輸出的AC信號(hào)經(jīng)過整流器處理后，從整流器輸出端輸出的DC信號(hào)；

2)、將該DC信號(hào)與控制電路模塊相連，通過控制電路產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)控制信號(hào)；

3)、將控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)與開關(guān)控制端相連控制開關(guān)的通斷；

4)、將開關(guān)與摩擦發(fā)電機(jī)與互感線圈串聯(lián)，開關(guān)閉合時(shí)，實(shí)現(xiàn)電能從摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部電容到互感線圈的轉(zhuǎn)移；當(dāng)摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部電能完全轉(zhuǎn)移到互感線圈時(shí)，斷開開關(guān)。開關(guān)的斷開控制信號(hào)同樣由控制電路模塊產(chǎn)生，通過控制電路模塊設(shè)定電路開啟時(shí)長，當(dāng)開關(guān)的開啟時(shí)間達(dá)到電路開啟時(shí)長時(shí)，控制電路模塊產(chǎn)生開關(guān)斷開控制信號(hào)，通過該開關(guān)斷開控制信號(hào)控制開關(guān)斷開，上述電路開啟時(shí)長由控制電路模塊內(nèi)部的延時(shí)電路設(shè)定，該延時(shí)電路包括非門電路、電阻、電容等。

5)、將互感線圈通過一個(gè)二極管與電能存儲(chǔ)單元相連，實(shí)現(xiàn)互感線圈存儲(chǔ)電能到電能存儲(chǔ)單元的轉(zhuǎn)移。

以上使用方法，其流程順序及組成單元并非固定不變，根據(jù)實(shí)際需要可調(diào)整流程順序或增減組成單元。

實(shí)施例二

圖2為圖1的能量管理系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)電路實(shí)例，其中整流模塊采用橋式整流器，互感線圈采用互感線圈，利用該電路，本電路具體的工作流程與原理如下：

1)、在外力作用下，摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生周期性輸出的交流電流，經(jīng)過橋式整流器整流后，該周期信號(hào)的交流電流被整流為直流電流。

2)、初始開關(guān)為斷開狀態(tài)，控制電路模塊監(jiān)測(cè)被整流后電流變化，當(dāng)其達(dá)到最大值時(shí)，產(chǎn)生開關(guān)閉合控制信號(hào)，閉合開關(guān)。

3)、控制電路模塊產(chǎn)生開關(guān)閉合信號(hào)，并通過該開關(guān)閉合信號(hào)使開關(guān)閉合。存儲(chǔ)在摩擦發(fā)電機(jī)內(nèi)部電容上的電能會(huì)通過LC振蕩方式，在四分之一個(gè)周期(LC振蕩在四分之一振蕩周期內(nèi)完成電能從電容到電感的傳輸)時(shí)完全轉(zhuǎn)移到互感線圈的初級(jí)互感線圈上。

4)、存儲(chǔ)在互感線圈的初級(jí)互感線圈上的電能經(jīng)互感線圈完全轉(zhuǎn)移到次級(jí)互感線圈上，并通過次級(jí)互感線圈與存儲(chǔ)電容之間的LC振蕩，完全轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)電容上。

圖3為使用本發(fā)明實(shí)施例的能量管理系統(tǒng)的交流到恒定電壓的轉(zhuǎn)換效率示意圖，如圖3所示，交流到恒定電壓的轉(zhuǎn)換效率大于70％。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)通過利用LC振蕩原理，可實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電機(jī)最大化輸出，通過控制電路單元與開關(guān)的搭配使用，能夠從摩擦發(fā)電機(jī)中獲取最大能量。

本發(fā)明實(shí)施例從摩擦發(fā)電機(jī)自身模型出發(fā)，利用LC振蕩原理，可實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能到電能存儲(chǔ)單元的高效率轉(zhuǎn)移，最大化利用摩擦發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能，能明顯提高摩擦發(fā)電機(jī)的實(shí)用價(jià)值。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)幾種不同模式摩擦發(fā)電機(jī)，如接觸分離式和接觸分離式等具有很強(qiáng)普適性，有潛力成為摩擦發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)能量管理模塊，并且所用到電子元器件都有集成制造的可能。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)施例中的裝置中的部件可以按照實(shí)施例描述分布于實(shí)施例的裝置中，也可以進(jìn)行相應(yīng)變化位于不同于本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)裝置中。上述實(shí)施例的部件可以合并為一個(gè)部件，也可以進(jìn)一步拆分成多個(gè)子部件。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：附圖只是一個(gè)實(shí)施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實(shí)施本發(fā)明所必須的。

本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于裝置或系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實(shí)施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上。可以根據(jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下，即可以理解并實(shí)施。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。