一种可穿戴式能量收集系统的制作方法

1.本实用新型涉及能量收集设备领域，具体涉及一种可穿戴式能量收集系统。


背景技术：

2.士兵野外作战、驴友外出旅行时，常处于没有电网的环境中，用电需求往往得不到满足。目前常用太阳能电池板作为野外供电设备，但光伏发电受天气制约严重，实际使用时需要将其与其他发电装置耦合。
3.可以将微弱机械能转化为电能的压电纳米发电机(peng)和摩擦纳米发电机(teng)在近几年得到了快速发展，为解决野外供电问题提供了新的思路。但是peng和teng在周期性机械运动的作用下会发出频率随机的脉冲交流电，且呈高电压(数百伏)、低电流(～μa)的输出特性，与电子器件的需求很不匹配，无法直接为负载供电。因此需要引入储能环节对能量进行调制。
4.在之前的工作中，常将peng和teng通过整流桥后直接与储能装置相连，由于peng和teng固有的高阻抗(～mω),严重的阻抗失衡会导致系统充电效率偏低。而传统的变压器低频响应较差，不能作为阻抗匹配网络。
5.此外，在之前的工作中，常使用锂电池作为纳米发电机的储能装置。但锂电池大多为刚性结构，体积、重量大，不能满足可穿戴设备对柔性化的需求。同时，锂电池中液态电解质在使用中易发生泄露，若应用于人体穿戴设备中会带来安全隐患。另一方面，由于锂电池无法有效收集微小电流，使用锂电池作为纳米发电机的储能模块会导致能量利用效率低等问题。
6.因此，设计一种安全、高效、便捷的可穿戴式能量收集系统具有重要的意义。


技术实现要素：

7.本实用新型的一个目的是解决现有技术中的野外供电设备不够轻便、受天气制约严重的缺陷。
8.根据本实用新型的第一方面，提供了一种可穿戴式能量收集系统，包括依次连接的能量转化模块、能量收集模块、能量存储模块、能量输出模块以及负载；其中能量转化模块用于产生电能；能量收集模块用于将产生的电能存储在能量存储模块中；能量输出模块用于通过能量存储模块为负载提供电能。
9.优选地，能量转换模块为摩擦纳米发电机、压电纳米发电机或光电子模块。
10.优选地，所述光电子模块为柔性太阳能电池板、可折叠太阳能光伏板或光伏阵列装置。
11.优选地，能量收集模块为ltc3588芯片。
12.优选地，能量存储模块为dc
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dc稳压器或柔性超级电容。
13.优选地，能量输出模块为接口电路。
14.优选地，负载为led光源。
15.相比于现有技术，本实用新型至少具有以下有益效果之一：
16.(1)本实用新型的可穿戴绿色混合动力系统引入了超级电容作为储能装置，实现了对微弱电流的有效收集。另外，能量收集模块将微弱机械能和/或太阳能转化为电能后，先经过能量管理模块对电能进行调制，再将电能存储到储能模块中，提高了能量利用效率和输出功率。
17.(2)本实用新型的可穿戴绿色混合动力系统，采用摩擦纳米发电机、压电纳米发电机和光电模块共同作为能量收集装置，既可以收集人体运动过程中或自然环境中的微弱机械能，又可以吸收早晚间、阴雨天等电池不能吸收的不稳定的太阳能，实现了对能量的多元化采集，增强了系统对不同环境的适用性。
18.(3)本实用新型的可穿戴绿色混合动力系统，能量输出模块引入dcac逆变器和dcdc稳压器多个外部接口模块，实现了不同电压的交/直流切换输出，可以满足不同负载的供电需要。
19.(4)本实用新型的可穿戴绿色混合动力系统所选用的摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、柔性光电装置和柔性超级电容，体小质轻、生物相容性好、安全便捷，适于人体日常穿戴。
20.通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
21.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。
22.图1为本实用新型一个实施例的原理框图；
23.图2为ltc3588芯片的内部电路结构图；
24.图3为ltc3588芯片的外围电路连接图；
25.图4为ltc3588芯片电压输入/输出特性曲线图。
具体实施方式
26.现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。
27.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。
28.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
29.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
31.本实用新型的一个实施例如图1所示，包括依次连接的能量转化模块、能量收集模
块、能量存储模块、能量输出模块以及负载；其中能量转化模块用于产生电能；能量收集模块用于将产生的电能存储在能量存储模块中；能量输出模块用于通过能量存储模块为负载提供电能。
32.本实用新型的原理是：通过能量转化模块将机械能或者光能转化为电能，实现这一过程可以通过体积较小的纳米发电机或者太阳能电池板等设备。然后通过能量收集模块将转化的电能进行整流、滤波、放大。之后再通过能量存储模块对电能进行存储。需要使用电能时，可以通过能量输出模块连接负载，为负载供能。
33.具体而言，能量转换模块可以为摩擦纳米发电机(teng)、压电纳米发电机(peng)或光电子模块。进一步地，光电子模块可以为柔性太阳能电池板、可折叠太阳能光伏板或光伏阵列装置。能量收集模块可以为ltc3588芯片。能量存储模块可以为dc
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dc稳压器或柔性超级电容，其中超级电容具有能量转换效率高，可以吸收弱小电流，能量密度大、可多次充发电等特点。可大大增加能量的利用效率，提高系统的使用寿命。能量输出模块可以为(usb等)接口电路。负载可以为led光源。可以设置多个接口为多个负载进行供电。
34.图2示出了ltc3588芯片的内部结构图，ltc3588是一款压电式能量收集芯片，其特点是输入电压范围大，能够接收震动能量收集装置输出的2.7～20v电压，并且还能够通过d0和d1引脚设置来提供输出1.8v～6v电压。由于大部分微电子设备的工作电压为3.3v左右，因此该芯片输出的电压可供很多负载直接使用。并且该芯片的体积很小巧，采用10引脚mse封装和3mm
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3mmdfn封装，所需外围元件少，有助于节约空间，更容易在可穿戴设备中进行使用。此外，其内部集成了全波桥式整流器和迟滞降压型dc/dc转换器，能够有效进行整流和转换。ltc3588可通过pz1，pz2输入直流，交流电且通过一定的外部连接输出稳定电压给储能系统供电。ltc3588芯片的外围电路连接方式如图3所示，可见其外围电路简洁，不会占用过大空间，有利于设备小型化。
35.本实用新型的一个应用场景是：将本实用新型的装置设置在可穿戴的户外套装上，白天收集用户运动产生的机械能以及光照产生的光能进行存储，晚上将负载(led灯)开启，用白天收集的能量进行照明，可以有效克服长时间野外生存时的充电困难、照明困难的问题。大大加强了野外活动的便利程度。
36.<实施例>
37.本实施例中的能量转化模块为摩擦纳米发电机(teng)和柔性太阳能板；能量收集模块为ltc3588芯片，同时进行稳压控制。储能系统为柔性超级电容(1.8v，20f)；本实例中采用的摩擦纳米发电机(teng)可穿戴于人体部分，将人体机械能转换为电能后通过能量收集模块存入能量存储模块中，并通过能量输出系统为负载供能。摩擦发电机采用m型结构，提高能量的利用效率。将摩擦发电机与能量管理系统进行连接，以输出稳定电压。能量收集系统的具体细节如图3所示，芯片引脚个数为11，分别为pz1，pz2，cap，vin，sw，vout，vin2，d0，d1，pgood，gnd。pz1，pz2为输入端，可将摩擦发电机的正负极直接连接，继而通过全桥整流器将交流电转化为直流电，整流器的压降为仅为400mv,功耗损失较低。整流输出后存储在当vin上的电压超过uvlo上升阈值时，逆变器被启用，电荷从输入电容器转移到输出电容器。当vin上的电压超过uvlo上升阈值时，逆变器被启用，电荷从输入电容器转移到输出电容器。针脚的电容器上，电容可用作降压转换器的储能器。cap与接地端跨接电容，以vin端为参考，为dc—dc变换器pmos开关提供开启电压。当vin电压高于uvlo的阈值电压4.5v，电
荷从输入电容器转移到输出电容器。sw，vout在两引脚间连接dc—dc变换所需要的电感元件10uh。
38.本实用新型中可控制输出电压即vout,d1,d0引脚接地时可输出1.8v电压，其他连接方式可输出2.5v、3.3v、3.6v。按图示电路图进行模拟，c5作为等效电源的阻抗，且用稳压管d1(bzx84c12l)保护电路不受损坏。c3，c6作为输出电容器其电容分别为47uf。当vin电压大于uvlo阈值电压时开关开启开始向外电路供电，电压低时开关关闭。其特性变化如图4所示。
39.本实用新型实例中能量收集系统的效率较高，能量损失较少。基本可全部储存于超级电容中。实例中超级电容与能量输出模块相连接，输出模块采用boost升压模块，升压模块中采用芯片将1.8v电容电压转换为更高电压对负载即led等进行供电。
40.虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。