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

背景技術：

從生活環(huán)境中采集能量，被廣泛視為實現(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靜互感線圈應原理，通過簡單低成本的加工制備的微型摩擦發(fā)電機可以完成對周圍環(huán)境機械能的高效率采集，實現(xiàn)高輸出功率密度和能量轉換效率。但現(xiàn)有摩擦發(fā)電機的輸出具有高輸出電壓、低輸出電流的特點，使得能量轉換變得極其困難，從而限制了其實際應用價值。

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

若直接用摩擦發(fā)電機向電能存儲單元(如電容)充電，則由于摩擦發(fā)電機內(nèi)部電容影響，電能存儲效率隨著存儲電容值的增大會急劇地下降。雖然使用電容式變壓器能夠對不同頻率的摩擦信號實現(xiàn)很好的適應與兼容，但對應的開關的數(shù)量會隨著發(fā)電機陣列的增加而指數(shù)式增長，且機械開關的使用會極大增加能量管理單元的復雜性，不利于能量管理單元的小型化與集成化。

技術實現(xiàn)要素：

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

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案。

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

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

所述整流模塊，用于對接收到的交流電能信號進行整流處理，輸出直流電能信號；

所述控制電路模塊，用于檢測所述整流模塊輸出的直流電能信號的峰值，當該峰值達到設定的閾值時，產(chǎn)生開關閉合控制信號，通過該開關閉合控制信號控制開關電路中的開關閉合；

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

進一步地，所述系統(tǒng)還包括：能量存儲單元：

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

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

進一步地，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。

進一步地，所述控制電路模塊包括比較器、邏輯電路和/或信號發(fā)生器。

進一步地，所述開關電路中的開關為機械開關、三極管或者MEMS開關。

進一步地，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。

進一步地，所述能量存儲模塊包括儲能電容、儲能電容、鋰電池和/或超級電容器的并聯(lián)組合。

進一步地，所述控制電路模塊與所述能量存儲模塊連接，所述能量存儲模塊對所述控制電路模塊提供電源。

由上述本發(fā)明的實施例提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例的系統(tǒng)通過利用LC振蕩原理，可實現(xiàn)摩擦發(fā)電機最大化輸出，通過控制電路單元與開關的搭配使用，能夠從摩擦發(fā)電機中獲取最大能量，可實現(xiàn)摩擦發(fā)電機產(chǎn)生電能到電能存儲單元的高效率轉移，最大化利用摩擦發(fā)電機所產(chǎn)生的電能，能明顯提高摩擦發(fā)電機的實用價值。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點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)明的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實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)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機的能量管理系統(tǒng)的結構圖；

圖2為本發(fā)明實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)明實施例的能量管理系統(tǒng)的交流到恒定電壓轉換效率示意圖；

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實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號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施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數(shù)形式。應該進一步理解的是，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或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，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”包括一個或更多個相關聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。

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

為便于對本發(fā)明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構成對本發(fā)明實施例的限定。

本發(fā)明實施例提供了一種基于LC振蕩原理，實現(xiàn)摩擦發(fā)電機輸出高效率能量管理單元?；谀Σ涟l(fā)電機是一個變電容式器件的特點，首先獲取在一個工作周期中，摩擦發(fā)電機內(nèi)部電容上存儲的最大電量，利用控制電路通斷，實現(xiàn)摩擦發(fā)電機的最大能量輸出循環(huán)。其次采用互感線圈與發(fā)電機內(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機，使得在一個工作周期中，摩擦發(fā)電機存儲在內(nèi)部電容上的電能能夠完全轉移到互感線圈上。在此之后，再通過控制電路實現(xiàn)互感線圈到能量存儲單元間的電能轉移。通過以上過程，實現(xiàn)摩擦發(fā)電機的高效率能量管理。

實施例一

下面結合附圖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)電機的能量管理系統(tǒng)的構成及工作原理。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于LC振蕩的適用于摩擦發(fā)電機的能量管理系統(tǒng)的結構圖，本系統(tǒng)由摩擦發(fā)電機、整流模塊、控制電路模塊、開關電路、互感線圈與能量存儲單元構成。所述摩擦發(fā)電機、整流模塊、開關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、開關電路連接，所述開關電路中的開關初始處于斷開狀態(tài)。

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

所述整流模塊用于將摩擦發(fā)電機產(chǎn)生的交流(AC)電能信號轉變?yōu)橹绷?DC)電能信號，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，用于檢測所述整流模塊輸出的直流電能信號的峰值，當該峰值達到設定的閾值時，產(chǎn)生開關閉合控制信號，通過該開關閉合控制信號控制開關電路中的開關閉合；

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

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

所述控制電路模塊與整流模塊、開關電路、能量存儲模塊相連，用于控制開關的閉合與否，預處理摩擦發(fā)電機產(chǎn)生的信號，在整流模塊輸出的直流電能信號達到極大值時，產(chǎn)生開關閉合控制信號，通過該開關閉合控制信號控制開關電路中的開關閉合。該控制電路模塊包括比較器、邏輯電路和/或信號發(fā)生器，完成相應功能。當控制電路模塊由邏輯電路組成時，首先由比較器和反相器構成峰值檢測電路，用于檢測直流電能信號的峰值，達到峰值時，輸出開關閉合控制信號。

所述開關電路與整流模塊、互感線圈串聯(lián)連接，開關電路的控制信號由控制電路模塊產(chǎn)生，初始開關為斷開狀態(tài)，開關可以是機械開關、三極管、MEMS開關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。

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

所述控制電路的電源由能量存儲模塊提供。

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

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

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

3)、將控制電路產(chǎn)生的控制信號與開關控制端相連控制開關的通斷；

4)、將開關與摩擦發(fā)電機與互感線圈串聯(lián)，開關閉合時，實現(xiàn)電能從摩擦發(fā)電機內(nèi)部電容到互感線圈的轉移；當摩擦發(fā)電機內(nèi)部電能完全轉移到互感線圈時，斷開開關。開關的斷開控制信號同樣由控制電路模塊產(chǎn)生，通過控制電路模塊設定電路開啟時長，當開關的開啟時間達到電路開啟時長時，控制電路模塊產(chǎn)生開關斷開控制信號，通過該開關斷開控制信號控制開關斷開，上述電路開啟時長由控制電路模塊內(nèi)部的延時電路設定，該延時電路包括非門電路、電阻、電容等。

5)、將互感線圈通過一個二極管與電能存儲單元相連，實現(xiàn)互感線圈存儲電能到電能存儲單元的轉移。

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)實際需要可調整流程順序或增減組成單元。

實施例二

圖2為圖1的能量管理系統(tǒng)構成的一個電路實例，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，該周期信號的交流電流被整流為直流電流。

2)、初始開關為斷開狀態(tài)，控制電路模塊監(jiān)測被整流后電流變化，當其達到最大值時，產(chǎn)生開關閉合控制信號，閉合開關。

3)、控制電路模塊產(chǎn)生開關閉合信號，并通過該開關閉合信號使開關閉合。存儲在摩擦發(fā)電機內(nèi)部電容上的電能會通過LC振蕩方式，在四分之一個周期(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)時完全轉移到互感線圈的初級互感線圈上。

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

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

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

本發(fā)明實施例從摩擦發(fā)電機自身模型出發(fā)，利用LC振蕩原理，可實現(xiàn)摩擦發(fā)電機產(chǎn)生電能到電能存儲單元的高效率轉移，最大化利用摩擦發(fā)電機所產(chǎn)生的電能，能明顯提高摩擦發(fā)電機的實用價值。

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

本領域普通技術人員可以理解：實施例中的裝置中的部件可以按照實施例描述分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的部件可以合并為一個部件，也可以進一步拆分成多個子部件。

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

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實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，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現(xiàn)本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可以理解并實施。

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