一种压电-摩擦-电磁悬浮式复合能量采集及管理装置

1.本发明属于能量采集装置设计技术领域，尤其涉及一种压电-摩擦-电磁悬浮式复合能量采集及管理装置。


背景技术：

2.近年来由于可穿戴电子设备在机器人、人机界面和人体运动检测等方面的潜在应用，引起了广泛的关注。因此便携、持久的能源需求逐渐增大。
3.收集环境中的振动能量并将其转换为电能是一种可行的方法。虽然基于摩擦、电磁以及压电效应的能量收集器已经被提出，但他们各自都有明显的优缺点。比如，摩擦发电机电压大、电流小，电磁发电机电压小、电流大，压电发电机对低频振动响应弱，因此需要一种整合了三种发电机优缺点的复合式能量采集装置。
4.另外发电单元产生的电能都是交流形式，而且是时断时续的，无法被直接利用，需要对收集的能量进行管理，一方面是为了使电能的利用最大化，另一方面是为了适配后端的电子器件。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种压电-摩擦-电磁悬浮式复合能量采集及管理装置将环境中的振动能量进行收集，解决了收集环境中的振动能量并将其转换为持续电能的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.本发明提供一种压电-摩擦-电磁悬浮式复合能量采集及管理装置，包括：
8.装置外壳，用于保护压电-摩擦-电磁发电模块；
9.压电-摩擦-电磁发电模块，用于通过压电发电、摩擦发电和电磁发电分别产生压电发电电流、摩擦发电电流和电磁发电电流；
10.能量管理模块，用于利用整流桥分别将压电发电电流、摩擦发电电流和电磁发电电流整流成直流电后并联，且将电能预存到电容中，当电容两端电压达到预设电压后将电能输出到储能电容为电子器件供电。
11.本发明的有益效果为：本发明提出的一种压电-摩擦-电磁悬浮式复合能量采集及管理装置，通过装置外壳保护压电-摩擦-电磁发电模块和能量管理模块，防摔防震，且通过压电-摩擦-电磁发电模块分别通过压电发电、摩擦发电和电磁发电获取交流电，再通过能量管理模块将交流电整流过后的直流电通过冷启动-升压降压管理-欠压保护-最大功率点跟踪等方法，将电能有效预存到电容中，在达到一定电压后将电能输出到后端储能电容中，储能电容中的电能可供持续使用，实现了收集环境中的振动能量并将其转换为持续电能。
12.进一步地，所述压电-摩擦-电磁发电模块包括：
13.压电发电子模块，用于通过压电发电产生压电发电电流；
14.摩擦发电子模块，用于通过摩擦发电产生摩擦发电电流；
15.电磁发电子模块，用于通过电磁发电产生电磁发电电流。
16.采用上述进一步方案的有益效果为：所述压电-摩擦-电磁发电模块分别通过压电发电子模块、摩擦发电子模块和电磁发电子模块获取压电发电电流、摩擦发电电流和电磁发电电流。
17.进一步地，所述压电-摩擦-电磁发电模块由第一磁铁、第二磁铁、铍铜合金板、第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片、第一电极、第二电极、第一固定板、第二固定板、第一铝板、第一磁感应线圈、第二磁感应线圈、第三磁感应线圈、第一聚四氟乙烯层、第三磁铁、第二聚四氟乙烯层、第二铝板、第三固定板以及第四磁铁构成；
18.所述第一磁铁与第二磁铁相对设置于铍铜合金板一端的上侧和下侧；所述第一压电陶瓷片的一侧与铍铜合金板的上侧中部连接；所述第一压电陶瓷片的另一侧与第一电极连接；所述第二压电陶瓷片的一侧与铍铜合金板的下侧中部连接；所述第二压电陶瓷片的另一侧与第二电极连接；所述第一电极、第二电极和铍铜合金板均与能量管理模块连接；所述第一固定板和第二固定板相对设置于铍铜合金板另一端的上侧和下侧；所述第一铝板设置于第二固定板的下方；所述第一磁感应线圈、第二磁感应线圈和第三磁感应线圈由上至下均设置于第一铝板的下方；所述第一磁感应线圈、第二磁感应线圈和第三磁感应线圈均与能量管理模块连接；所述第一聚四氟乙烯层、第三磁铁和第二聚四氟乙烯层由上至下均设置于第一磁感应线圈、第二磁感应线圈和第三磁感应线圈内部；所述第二铝板设置于第三磁感应线圈的下方；所述第三固定板设置于第二铝板的下方；所述第一铝板、第二铝板、第一聚四氟乙烯层和第二聚四氟乙烯层均与能量管理模块连接；所述第四磁铁设置于第三固定板的下方。
19.采用上述进一步方案的有益效果为：所述压电-摩擦-电磁发电模块通过如上结构实现获取环境中的瞬态电能。
20.进一步地，所述压电发电子模块由第一磁铁、第二磁铁、铍铜合金板、第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片、第一电极、第二电极、第一固定板以及第二固定板构成；
21.所述摩擦发电子模块由第一铝板、第一聚四氟乙烯层、第二聚四氟乙烯层以及第二铝板构成；
22.所述电磁发电子模块由第一磁感应线圈、第二磁感应线圈、第三磁感应线圈、第三磁铁、第三固定板以及第四磁铁构成。
23.采用上述进一步方案的有益效果为：所述压电发电子模块是典型的悬臂梁-质量块结构的能量采集器，当压电陶瓷材料受到外力作用产生机械应变时，材料内部电荷中心发生偏移，使得上下表面积聚异号电荷形成电势差，实现发电；所述摩擦发电子模块由聚四氟乙烯与铝组成，利用两种不同材料得失电子能力的差异，在接触摩擦过程中形成电荷转移，产生电势差；所述电磁发电子模块利用了第三磁铁和第四磁铁具有相同极性磁铁间具有排斥力的特点，通过第三磁铁不断对第一磁感应线圈、第二磁感应线圈和第三磁感应线圈做切割磁感线的运动，产生感应电流。
24.进一步地，所述能量管理模块包括：
25.压电整流子模块，用于对压电发电电流进行整流，得到压电直流电流；
26.摩擦整流子模块，用于对摩擦发电电流进行整流，得到摩擦直流电流；
27.电磁整流子模块，用于对电磁发电电流进行整流，得到电磁直流电流；
28.电能管理子模块，用于接收压电直流电流、摩擦直流电流和电磁直流电流并联得到的直流电，并将电能预存到电容中，当电容两端电压达到预设电压后将电能输出到储能电容为电子器件供电。
29.采用上述进一步方案的有益效果为：所述能量管理模块将获取到的交流电整流为直流电，并有效存储电能到电容中，且在达到预设电压后将电能输出到储能电容为后端电子器件供电。
30.进一步地，所述压电整流子模块由第一整流器和第二整流器构成；所述摩擦整流子模块由第三整流器和第四整流器构成；所述电磁电流整流子模块由第五整流器、第六整流器和第七整流器构成；
31.所述第一整流器输入端分别与第一电极和铍铜合金板连接；所述第二整流器输入端分别与第二电极和铍铜合金板连接；所述第三整流器输入端分别与第一铝板和第一聚四氟乙烯层连接；所述第四整流器输入端分别与第二铝板和第二聚四氟乙烯层连接；所述第五整流器输入端分别与第一磁感应线圈的两端连接；所述第六整流器输入端分别与第二磁感应线圈的两端连接；所述第七整流器输入端分别与第三磁感应线圈的两端连接；
32.所述第一整流器输出端、第二整流器输出端、第三整流器输出端、第四整流器输出端、第五整流器输出端、第六整流器输出端和第七整流器输出端并联后与电能管理子模块连接。
33.采用上述进一步方案的有益效果为：通过各整流器分别将压电发电子模块、摩擦发电子模块以及电磁发电子模块获取到的交流电转换为直流电，且将各直流电并联后输入电能管理子模块进行储存。
34.进一步地，所述电能管理子模块包括型号为bq25570的能量管理芯片u1、输入排插p1、输出排插p2、模块调节排插p3、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电感l1、电感l2、储能电容ct1、储能电容ct2和二极管d1；
35.所述输入排插p1的第1引脚和第2引脚均接地；所述输入排插p1的第2引脚与能量管理芯片u1的第5引脚连接；所述输入排插p1的第3引脚分别与电阻r1的一端、电容c1的一端、能量管理芯片u1的第2引脚和电感l1的一端连接；所述电容c1的另一端接地；所述电感l1的另一端与能量管理芯片u1的第20引脚连接；所述电阻r1的另一端与电阻r2的一端连接；所述电阻r2的另一端与模块调节排插p3的第1引脚连接，并接地；所述模块调节排插p3的第2引脚与能量管理芯片u1的第13引脚连接；模块调节排插p3的第3引脚分别与电阻r3的一端和能量管理芯片u1的第3引脚连接；所述电阻r3的另一端接地；模块调节排插p3的第4引脚与能量管理芯片u1的第6引脚连接；模块调节排插p3的第5引脚分别与第6引脚、电容c2的一端、电容c3的一端和能量管理芯片u1的第19引脚连接；所述电容c2的另一端和电容c3的另一端均接地；所述能量管理芯片u1的第0引脚接地；所述能量管理芯片u1的第7引脚分别与电阻r4的一端和电阻r5的一端连接；所述电阻r5的另一端接地；所述电阻r4的另一端分别与能量管理芯片u1的第8引脚、电阻r6的一端和电阻r9的一端连接；所述电阻r6的另一端分别与能量管理芯片u1的第10引脚和电阻r6的一端连接；所述电阻r7的另一端分别与电阻r8的一端和能量管理芯片u1的第11引脚连接；所述电阻r9的另一端分别与电阻r10的一端和能量管理芯片u1的第12引脚连接；所述电阻r8的另一端、电阻r10的另一端和能量管理
芯片u1的第9引脚接地均接地；所述能量管理芯片u1的第14引脚分别与电感l2的一端、电容c5的一端、电容c6的一端和输出排插p2的第3引脚连接；所述电感l2的另一端与能量管理芯片u1的第16引脚连接；所述电容c5的另一端和电容c6的另一端均接地；所述输出排插p2的第4引脚接地；所述能量管理芯片u1的第15引脚接地；所述输出排插p2的第2引脚分别与电阻r11的一端、储能电容ct2的一端、电容c7的一端、储能电容ct1的一端和能量管理芯片u1的第18引脚连接；所述储能电容ct1的另一端、电容c7的另一端、储能电容ct2的另一端和输出排插p2的第1引脚均接地；所述电阻r11的另一端与二极管d1的正极连接；所述二极管d1的负极接地；所述能量管理芯片u1的第17引脚接地。
36.采用上述进一步方案的有益效果为：利用电能管理子模块对整流得到的直流电通过冷启动-升压降压管理-欠压保护-最大功率点跟踪等方法，将电能有效预存到电容中，在达到预设电压后将电能输出到后端储能电容中。
附图说明
37.图1为本发明实施例中压电-摩擦-电磁悬浮式复合能量采集及管理装置结构示意图。
38.图2为本发明实施例中压电-摩擦-电磁发电模块的主视图。
39.图3为本发明实施例中压电-摩擦-电磁发电模块的俯视图。
40.图4为本发明实施例中电磁发电测试产生电压和电流结果图。
41.图5为本发明实施例中电能管理子模块的电路原理图。
42.图6为本发明实施例中电能管理子模块的测试结果图。
43.其中：1、第一磁铁；2、第二磁铁；3、铍铜合金板；4、第一压电陶瓷片；5、第二压电陶瓷片；6、第一电极；7、第二电极；8、第一固定板；9、第二固定板；10、第一铝板；11、第一磁感应线圈；12、第二磁感应线圈；13、第三磁感应线圈；14、第一聚四氟乙烯层；15、第三磁铁；16、第二聚四氟乙烯层；17、第二铝板；18、第三固定板；19、第四磁铁。
具体实施方式
44.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
45.如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种压电-摩擦-电磁悬浮式复合能量采集及管理装置，包括：
46.装置外壳，用于保护压电-摩擦-电磁发电模块；
47.压电-摩擦-电磁发电模块，用于通过压电发电、摩擦发电和电磁发电分别产生压电发电电流、摩擦发电电流和电磁发电电流；
48.如图2和图3所示，所述压电-摩擦-电磁发电模块包括：
49.压电发电子模块，用于通过压电发电产生压电发电电流；
50.摩擦发电子模块，用于通过摩擦发电产生摩擦发电电流；
51.电磁发电子模块，用于通过电磁发电产生电磁发电电流；
52.所述压电-摩擦-电磁发电模块分别通过压电发电子模块、摩擦发电子模块和电磁发电子模块获取压电发电电流、摩擦发电电流和电磁发电电流；
53.所述压电-摩擦-电磁发电模块由第一磁铁1、第二磁铁2、铍铜合金板3、第一压电陶瓷片4、第二压电陶瓷片5、第一电极6、第二电极7、第一固定板8、第二固定板9、第一铝板10、第一磁感应线圈11、第二磁感应线圈12、第三磁感应线圈13、第一聚四氟乙烯层14、第三磁铁15、第二聚四氟乙烯层16、第二铝板17、第三固定板18以及第四磁铁19构成；
54.所述第一磁铁1与第二磁铁2相对设置于铍铜合金板3一端的上侧和下侧；所述第一压电陶瓷片4的一侧与铍铜合金板3的上侧中部连接；所述第一压电陶瓷片4的另一侧与第一电极6连接；所述第二压电陶瓷片5的一侧与铍铜合金板3的下侧中部连接；所述第二压电陶瓷片5的另一侧与第二电极7连接；所述第一电极6、第二电极7和铍铜合金板3均与能量管理模块连接；所述第一固定板8和第二固定板9相对设置于铍铜合金板3另一端的上侧和下侧；所述第一铝板10设置于第二固定板9的下方；所述第一磁感应线圈11、第二磁感应线圈12和第三磁感应线圈13由上至下均设置于第一铝板10的下方；所述第一磁感应线圈11、第二磁感应线圈12和第三磁感应线圈13均与能量管理模块连接；所述第一聚四氟乙烯层14、第三磁铁15和第二聚四氟乙烯层16由上至下均设置于第一磁感应线圈11、第二磁感应线圈12和第三磁感应线圈13内部；所述第二铝板17设置于第三磁感应线圈13的下方；所述第三固定板18设置于第二铝板17的下方；所述第一铝板10、第二铝板17、第一聚四氟乙烯层14和第二聚四氟乙烯层16均与能量管理模块连接；所述第四磁铁19设置于第三固定板18的下方；
55.所述压电发电子模块由第一磁铁1、第二磁铁2、铍铜合金板3、第一压电陶瓷片4、第二压电陶瓷片5、第一电极6、第二电极7、第一固定板8以及第二固定板9构成；
56.所述压电发电子模块是典型的悬臂梁-质量块结构的能量采集器，当压电陶瓷材料受到外力作用产生机械应变时，材料内部电荷中心发生偏移，使得上下表面积聚异号电荷形成电势差，实现发电，在2hz下分别能够达到3.7v和10μa，7hz下能够达到36v和0.3ma；
57.所述摩擦发电子模块由第一铝板10、第一聚四氟乙烯层14、第二聚四氟乙烯层16以及第二铝板17构成；
58.所述摩擦发电子模块由聚四氟乙烯等与铝组成，利用两种不同材料得失电子能力的差异，在接触摩擦过程中形成电荷转移，产生电势差；
59.所述电磁发电子模块由第一磁感应线圈11、第二磁感应线圈12、第三磁感应线圈13、第三磁铁15、第三固定板18以及第四磁铁19构成；
60.分别对第一磁感应线圈11、第二磁感应线圈12和第三磁感应线圈13进行了单独测试，如图4所示，在2hz振动频率下三个线圈产生的电压叠加后达到2.2v，产生的电流叠加后达到2.21ma的电流；在7hz振动频率下三个线圈产生的电压叠加后达到23.2v，产生的电流叠加后达到53ma的电流；
61.所述电磁发电子模块利用了第三磁铁和第四磁铁具有相同极性磁铁间具有排斥力的特点，通过第三磁铁不断对第一磁感应线圈11、第二磁感应线圈12和第三磁感应线圈13做切割磁感线的运动，产生感应电流；
62.能量管理模块，用于利用整流桥分别将压电发电电流、摩擦发电电流和电磁发电电流整流成直流电后并联，且将电能预存到电容中，当电容两端电压达到预设电压后将电
能输出到储能电容为电子器件供电；
63.所述能量管理模块包括：
64.压电整流子模块，用于对压电发电电流进行整流，得到压电直流电流；
65.摩擦整流子模块，用于对摩擦发电电流进行整流，得到摩擦直流电流；
66.电磁整流子模块，用于对电磁发电电流进行整流，得到电磁直流电流；
67.所述压电整流子模块由第一整流器和第二整流器构成；所述摩擦整流子模块由第三整流器和第四整流器构成；所述电磁电流整流子模块由第五整流器、第六整流器和第七整流器构成；将获取到的交流形式的电能整流为直流电并存储，且通过全波整流最大程度减少电能损耗；
68.本方案选用in5817型号的二极管自行搭建整流桥，避免电能损耗，整流效率高达97.9％；
69.所述第一整流器输入端分别与第一电极6和铍铜合金板3连接；所述第二整流器输入端分别与第二电极7和铍铜合金板3连接；所述第三整流器输入端分别与第一铝板10和第一聚四氟乙烯层14连接；所述第四整流器输入端分别与第二铝板17和第二聚四氟乙烯层16连接；所述第五整流器输入端分别与第一磁感应线圈11的两端连接；所述第六整流器输入端分别与第二磁感应线圈12的两端连接；所述第七整流器输入端分别与第三磁感应线圈13的两端连接；
70.所述第一整流器输出端、第二整流器输出端、第三整流器输出端、第四整流器输出端、第五整流器输出端、第六整流器输出端和第七整流器输出端并联后与电能管理子模块连接；分别通过各整流器分别将通过摩擦发电子模块、电磁发电子模块以及压电发电子模块获取到的交流电转换为直流电，且将各直流电并联后输入电能管理子模块进行储存；
71.电能管理子模块，用于接收压电直流电流、摩擦直流电流和电磁直流电流并联得到的直流电，并将电能预存到电容中，当电容两端电压达到预设电压后将电能输出到储能电容为电子器件供电；
72.整流过后的电能虽然转化为了直流电，但依旧是脉冲形式，无法直接为电子器件供电，因此选用简单的电容充电，搭建电路后测试，仅用手轻轻摇晃就能轻松点亮约400个商用led灯，同时以手表作为电子器件，摇晃产生的电能也能为手表供电；
73.这种整流、储存方式虽然有一定的效果，但电能浪费较高，并且无法控制输出电压，很容易对后端电子器件造成损；因此又利用电能管理子模块，将前端整流过后的直流电通过冷启动-升压降压管理-欠压保护-最大功率点跟踪等方法，将电能有效预存到储能电容；
74.如图5所示，所述电能管理子模块包括型号为bq25570的能量管理芯片u1、输入排插p1、输出排插p2、模块调节排插p3、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电感l1、电感l2、储能电容ct1、储能电容ct2和二极管d1；
75.所述输入排插p1的第1引脚和第2引脚均接地；所述输入排插p1的第2引脚与能量管理芯片u1的第5引脚连接；所述输入排插p1的第3引脚分别与电阻r1的一端、电容c1的一端、能量管理芯片u1的第2引脚和电感l1的一端连接；所述电容c1的另一端接地；所述电感l1的另一端与能量管理芯片u1的第20引脚连接；所述电阻r1的另一端与电阻r2的一端连
接；所述电阻r2的另一端与模块调节排插p3的第1引脚连接，并接地；所述模块调节排插p3的第2引脚与能量管理芯片u1的第13引脚连接；模块调节排插p3的第3引脚分别与电阻r3的一端和能量管理芯片u1的第3引脚连接；所述电阻r3的另一端接地；模块调节排插p3的第4引脚与能量管理芯片u1的第6引脚连接；模块调节排插p3的第5引脚分别与第6引脚、电容c2的一端、电容c3的一端和能量管理芯片u1的第19引脚连接；所述电容c2的另一端和电容c3的另一端均接地；所述能量管理芯片u1的第0引脚接地；所述能量管理芯片u1的第7引脚分别与电阻r4的一端和电阻r5的一端连接；所述电阻r5的另一端接地；所述电阻r4的另一端分别与能量管理芯片u1的第8引脚、电阻r6的一端和电阻r9的一端连接；所述电阻r6的另一端分别与能量管理芯片u1的第10引脚和电阻r6的一端连接；所述电阻r7的另一端分别与电阻r8的一端和能量管理芯片u1的第11引脚连接；所述电阻r9的另一端分别与电阻r10的一端和能量管理芯片u1的第12引脚连接；所述电阻r8的另一端、电阻r10的另一端和能量管理芯片u1的第9引脚接地均接地；所述能量管理芯片u1的第14引脚分别与电感l2的一端、电容c5的一端、电容c6的一端和输出排插p2的第3引脚连接；所述电感l2的另一端与能量管理芯片u1的第16引脚连接；所述电容c5的另一端和电容c6的另一端均接地；所述输出排插p2的第4引脚接地；所述能量管理芯片u1的第15引脚接地；所述输出排插p2的第2引脚分别与电阻r11的一端、储能电容ct2的一端、电容c7的一端、储能电容ct1的一端和能量管理芯片u1的第18引脚连接；所述储能电容ct1的另一端、电容c7的另一端、储能电容ct2的另一端和输出排插p2的第1引脚均接地；所述电阻r11的另一端与二极管d1的正极连接；所述二极管d1的负极接地；所述能量管理芯片u1的第17引脚接地。
76.利用电能管理子模块对整流得到的直流电通过冷启动-升压降压管理-欠压保护-最大功率点跟踪等方法，将电能有效预存到电容中，在达到一定电压后将电能输出到后端储能电容中；如图6所示，对搭建后的电源管理电路进行测试，在7hz条件下给不同容量电容充电；在0s时开启振动，利用发电单元为电容充电，5s后停止振动，此时发电单元不再工作，但电容依旧保持持续充电的状态，原因就是电源管理电路中具有能量预储存电容，在供电端停止供电后依旧能够以滞后功能为电容继续充电，整流效率高达74.6％。