一种能量采集器及以其为核心的无源无线车载充电支架的制作方法
【专利摘要】一种无源无线的车载充电支架（手机或GPS导航仪支架），其所属技术领域为微能量采集、电子电气工程及新型能源。此充电支架是为了解决移动电子设备电池续航能力不足的问题，通过在支架内置入可采集汽车发动机及车内振动的能量采集器，并配合专门设计的能量管理及储存电路和支架内部空间，来有效采集车内环境中的废弃动能，并转化为可用电能为移动设备充电，延长续航时间。该发明摆脱了车内手机或GPS导航仪等需要连接充电线充电的弊端，提供了一种无源无线、绿色环保的车内微能源解决方案。
【专利说明】
一种能量采集器及以其为核心的无源无线车载充电支架
技术领域
[0001]本发明涉及一种低频复合式振动能能量采集器，具体涉及一种带有该采集器并合理布局的车载充电支架(手机或GPS导航仪)。
【背景技术】
[0002]随着智能手机及智能可穿戴装备等便携式智能设备的迅速普及，功能性大大增强，其整机的耗电量也随之大幅增加。由于锂离子电池的储电量并没有随着便携式智能设备的迅速发展而显著提高，智能设备的电池续航时间也在大幅下降，尤其是在持续使用其智能功能性时(如持续通话、持续导航等)。并且，锂离子电池的储电量越大，其体积也会越笨重，从而带来严重的安全隐患(如爆炸等)和使用上的不便捷(如手机体积过大等)。
[0003]微能量采集技术，是一种利用一系列耦合效应(如压电、热电、光电、电磁等等)，将环境中耗散掉的废弃微能量(如人体运动、机器振动、光、热、电磁波等)回收并转化为可用电能，来供给在此环境中工作的微电子设备(如手机、GPS导航仪等)，从而显著增长其电池的续航时间，并降低工程布线的成本和风险。
[0004]汽车发动机工作时的振动是一种强烈并持续的环境能量来源，若能将此机械振动有效转化为电能并回输至智能设备，那么其续航时间将会呈倍数增加，甚至有能力摆脱人们开车时持续使用导航和手机通话时设备对传统锂离子电池的依赖。虽然汽车内设有USB或车载充电接口，但是数据线的连接为使用造成了很大不便。
[0005 ]压电效应和电磁效应都可以有效地将动能转化为电能。具备压电效应的压电材料以其体积小、效率高、制备成本低等优势在能量采集技术中被广泛使用。而传统的磁铁加线圈结构也因输出功率高而在能量采集技术中被继续沿用。
【发明内容】
[0006]为了摆脱手机或GPS导航仪在车内连续通话或导航时需要连接充电线的弊端，也为了使汽车发动机工作时耗散掉的振动能能够被回收利用，本发明提供一种无源无线、绿色环保的车内微能源解决方案。
[0007]本发明的核心技术为经过合理设计、组合与布局的电磁和压电能量采集器。采集器在汽车行驶时可以有效回收发动机耗散的振动能，并转化为mW-W级可用电能。
[0008]以上述核心技术为基础，本发明还通过合理设计和改造普通车载手机或GPS导航仪支架的内部结构，为能量采集器的合理安置与高效工作提供必要的空间。
[0009]为提供上述解决方案，本发明采用的技术方案如下:
[0010]—种无源无线的车载支架。支架内部专门为采集器及其能量管理和储存电路设计了合理充足的安置和工作空间。支架包含有两个可固定端一一万向连接卡槽和出风口卡，使其既可以连接普通的车载吸盘悬臂以固定在车内平滑表面(如前挡玻璃、中控台面等)，又可以卡车内空调出风口。用于固定手机或GPS导航仪的卡槽可在一定范围内伸缩，使其可以适用于不同大小形状的设备。用于连接手机或GPS导航仪的接头可以更换，以适配不同厂商型号的设备。还有可伸缩USB接头或车载充电接头连接至能量储存单元，可以作为极端耗电情况时的备用电源。
[0011]支架结构部件包括手机或GPS导航仪卡槽(简称卡槽)、可连接普通吸盘式车载悬臂的多自由度(万向)结点(简称万向结点)、用于卡在车内空调出风口的弹簧卡(简称出风口卡)和用于固定手机或GPS导航仪的可伸缩卡(简称设备卡)。各部件的详细尺寸见附图及【具体实施方式】中的具体描述。
[0012]卡槽的背后有一个具有一定厚度的中空封闭空间，用来安放压电能量采集器和电磁能量采集器。同时，卡槽背面有一组可折叠的弹性卡子(出风口口卡)，用于当卡槽的万向结点与普通车载吸盘悬臂分离后将其卡于出风口。卡槽的正面上下也各有一个可伸缩弹簧卡(设备卡)，用于灵活的根据设备大小调节。其中下端的卡子上有充电接口，接头既可固定在下设备卡上，也可作为充电线伸缩，接头可更换为不同型号。卡槽的上端也有一条可伸缩线，为USB或车载充电接头输入线。
[0013]—种能量采集器，包括低频电磁能量采集器和低频压电能量采集器。两种能量采集器的谐振频率适配于汽车发动机工作时(行驶和怠速)车内的振动频率，并具备宽频特性，将车内振动有效转化为交流电并输出至管理电路。专门设计的能量管理电路和短期能量储存单元有效地将能量采集器转化的交流电转变为可用直流电并暂时储存，在需要时为手机或GSP导航仪充电。
[0014]低频电磁能量采集器为传统的磁铁加线圈的组合。在支架卡槽背后的空间内下半部分，并排安装了两个该采集器。每个采集器包含三块磁铁和三组铜导线圈。三块磁铁中有两块固定在两端，每块尺寸为21 X5 X7 mm3，中心点相隔45mm，N极指向同一方向。另一块尺寸为19X10X6 mm3，N极指向相反方向，通过磁力悬浮在两块固定的磁铁之间。一个内径尺寸为50 X 35X7 mm3的薄壁腔体包围在磁铁外。三组线圈中一组在腔体外由中心向两端旋绕，约100E，尺寸为30X15X11 mm3。另外两组分别与第一组的两端相隔2 mm在腔体外由第一组线圈的两端向腔体的两端旋绕，每组线圈约50匝，尺寸为30 X 8 X 11 mm3。
[0015]低频压电能量采集器为传统的双压电晶片悬臂梁结构。在支架卡槽背后的空间内上半部分，叠放了22个压电能量采集器。采集器尺寸为50 X 10 X 0.5 mm3。采集器上下表面与卡槽最大面所在平面垂直。采集器的固定端在卡槽内两侧并排排列，最上面的固定端距卡槽顶部5 mm、每两个固定端之间相距10 mm，最下面的固定端距电磁能量采集器的顶端11mm。每个压电采集器的自由端上下表面都各附加了 10 g的质量块，每个质量块尺寸为15 X10X2 mm3，最大表面与采集器上下表面平行并接触粘接。
[0016]支架卡槽的一个内表面同时作为印刷电路板，用来连接采集器、电桥、管理电路芯片和能量储存单元。每个采集器(包括电磁和压电)在接入管理电路芯片之前都先经过高效交流转直流电桥整流。芯片的输出端连接薄膜电池或超级电容。
[0017]薄膜电池或超级电容同时与下设备卡上的输出接口并联。而支架卡槽上的USB或车载充电输入接口与能量管理电路芯片直流输入端连接，作为极端耗电情况时的备用电源。具体布线设计见附图。
【附图说明】
[0018]图1为本发明支架的总体外观平面示意图。
[0019]图2为图1中标注面(A面)的平面布线图。
[0020]图3为图2中下半部分的布线特写。
[0021]其中:1、支架卡槽外壳;2、压电能量采集器;3、压电能量采集器夹持部件;4、压电能量采集器质量块;5、压电能量采集器与电磁能量采集器之间的隔层;6、电磁能量采集器的固定端磁铁;7、电磁能量采集器的悬浮磁铁;8、电磁能量采集器与管理电路芯片之间的隔层;9、匝数为50的线圈(两端线圈)；10、匝数为100的线圈(中心线圈)；11、能量管理电路芯片及输入输出端口模块；12、下端设备卡；13、输出接口； 14、上端设备卡；15、万向结点连接处;16、出风口卡；17、可伸缩USB或车载充电接线；18、输出接口的可伸缩接线;Al、高效交流转直流电桥;A2、管理电路芯片;A3、能量储存单元。
【具体实施方式】
[0022 ]下面，结合附图以及【具体实施方式】，对本发明做进一步描述:
[0023]请参阅图1，本发明合理有效地将低频压电和电磁能量采集器分布并安装在支架卡槽I背部的中空封闭空间内。卡槽空间的内部尺寸为176 X 106 X 11 mm3,材料可采用普通的用于手机外壳的高分子材料，也可采用外观精美的合金材料，刚度越高的材料，越有利于将机械振动传递到能量采集器上。卡槽内部的隔层5和隔层8将内部空间分为4个区域。其中上部区域为压电能量采集器2+4，尺寸为121 X 106 X 11 mm3。下部区域的两侧为电磁能量采集器6+7+9+10，每侧尺寸为50X35X 11 mm3。中间为管理电路芯片、各种接口以及能量储存单元11，尺寸为50 X 34 X 11 mm3。隔层材料可采用与卡槽主体一致的材料，方便一次成型和加工。
[0024]支架结构部件除了卡槽I之外，还包括阔可连接普通吸盘式车载悬臂的万向结点连接处15、出风口卡16和设备卡12+14。万向结点连接处15在卡槽背面外部的正中心，是一个半径为26 mm的球面，与卡槽背面交界面的直径为36 mm，球面中心凹陷处与市场上的车载吸盘悬臂端部万向结点球同尺寸，使其可以卡进万向结点球，既可以通过吸盘悬臂固定在车内平滑表面，有可以使卡槽自由调整角度。出风口卡16是两个弹簧卡，每个卡子的固定部分与卡槽为一体，尺寸为30X30X5 mm3，分别距卡槽顶端28 mm和138 mm。弹簧卡的活动部分尺寸为30 X 28X2.5 mm3,通过硬弹簧与固定部分连接，使其向内侧产生压力，用于将整个卡槽固定在车内空调出风口的扇片上。设备卡的下端的卡子12上有充电接口 13，接头既可固定在下设备卡12上，也可作为充电线18伸缩，接头可更换为不同型号，以适配不同厂商型号的设备。设备卡上端的卡子14通过也通过弹簧与卡槽连接，产生指向内侧的压力，用来固定不同尺寸的设备。设备卡的尺寸为36 X 15 X 10 mm3。以上部件的材料均可选用同卡槽主体一直的材料。卡槽的上端也有一条可伸缩线17，为USB或车载充电接头输入线，内部连接至能量管理电路芯片直流输入端，作为极端耗电情况时的备用电源。
[0025]低频电磁能量采集器6+7+9+10为传统的磁铁加线圈的组合。在支架卡槽背后的空间内下半部分，并排安装了两个该采集器。每个采集器包含三块磁铁6+7和三组铜导线圈9+
10。磁铁为NdFeB。三块磁铁中有两块6固定在两端，每块尺寸为21X5X7 mm3，中心点相隔45mm，N极指向同一方向。另一块7尺寸为19X 10X6 mm3，N极指向相反方向，通过磁力悬浮在两块固定的磁铁之间。一个内径尺寸为50 X 35 X 7 mm3的薄壁腔体包围在磁铁外。线圈为普通的细铜导线，外部须绝缘。三组线圈中一组10在腔体外由中心向两端旋绕，约100匝，尺寸为30X15X11 mm3。另外两组分别9与第一组的两端相隔2 mm在腔体外由第一组线圈的两端向腔体的两端旋绕，每组线圈约50阻，尺寸为30X8X 11 mm3。
[0026]低频压电能量采集器2为传统的双压电晶片悬臂梁结构。压电材料选用烧结好并减薄的PZT-5H压电陶瓷厚膜，厚度约200 Mi。两层压电厚膜分别通过硬化树脂贴在一层中间层的两侧，中间层厚度约100 Mi，材料可选用不锈钢或软高分子材料如PETF等。压电厚膜与中间层的平面尺寸均为50 X 10 mm2。在支架卡槽背后的空间内上半部分，叠放了22个压电能量采集器。采集器上下表面与卡槽最大面所在平面垂直。采集器的固定端3在卡槽内两侧并排排列，最上面的固定端距卡槽顶部5 mm、每两个固定端之间相距10 mm，最下面的固定端距电磁能量采集器的顶端11 mm。固定端3最好采用刚度较大的硬质材料，如合金、陶瓷等，以便提供有效的夹持力度，使压电悬臂梁产生足够的根端应变以采集能量输出。每个压电采集器的自由端上下表面都各附加了 10 g的质量块4，材料可选用密度较大的金属，如铅、钨等，每个质量块4尺寸为15X10X2 mm3，这个尺寸会根据选用的材料不同在一定幅度内波动，质量块4最大表面与采集器上下表面平行并接触粘接。
[0027]同时请参照图2和图3，支架卡槽的一个内表面A同时作为印刷电路板，用来连接采集器、电桥Al、管理电路芯片A2和能量储存单元A3。每个采集器(包括电磁和压电)在接入管理电路芯片A2之前都先经过电桥Al整流。电桥必须为微型电子器件，并为高效交流转直流电桥。由于采集器所产生的输出为均为交流信号，为防止直接并联有可能产生的不同方向电流抵消后降低输出，每个采集器都先单独经过电桥整流后再接入芯片A2。所用芯片A2可以是市场上销售的用于能量采集的管理电路，如MAX17710或LTC3588等。芯片A2的输出端连接薄膜电池或超级电容A3。能量储存单元A3同时与下设备卡12上的输出接口 13并联。而支架卡槽上的USB或车载充电输入接口 17与能量管理电路芯片A2直流输入端连接，作为极端耗电情况时的备用电源。
[0028]在实际生产过程中，要考虑到合理的部件生产与组装过程。
[0029]对本领域的技术人员来说，还可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的材料以及布局上的改进，但所有的这些改进都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种能量采集器，其特征在于:包括低频电磁能量采集器和低频压电能量采集器，低频电磁能量采集器为传统的磁铁加线圈的组合，每个电磁能量采集器包含三块磁铁和三组铜线圈，低频压电能量采集器为传统的双压电晶片悬臂梁结构，谐振频率适配于汽车发动机工作时车内的振动频率，并具备宽频特性，可以将车内振动有效转化为交流电并输出至管理电路，配备了专门为能量采集器设计的能量管理电路和短期能量储存单元，该配置能有效地将能量采集器转化的交流电转变为可用直流电并暂时储存，在需要时为手机或GSP导航仪充电；输出接口连接到支架上的固定或可伸缩接头，用来连接手机或GPS导航仪，同时，支架上还有可伸缩USB接头或车载充电接头连接至能量储存单元，可以作为极端耗电情况时的备用电源。2.一种无源无线的车载充电支架，其特征在于:包括置入支架内部的可采集汽车发动机及车内振动的能量采集器，专门为采集器设计的能量管理及储存电路，和专门为采集器设计的支架内部空间；车载充电支架内部结构经过专门设计和改造，为内部的能量采集器提供了充足合理的安置和工作空间；车载充电支架包含有两个可固定端一一万向连接卡槽和出风口卡，使其既可以连接普通的车载吸盘悬臂以固定在车内平滑表面，又可以卡车内空调出风口，用于固定手机或GPS导航仪的卡槽可在一定范围内伸缩，使其可以适用于不同大小形状的设备。
【文档编号】H02J7/00GK205693418SQ201620442223
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年5月16日 公开号201620442223.8, CN 201620442223, CN 205693418 U, CN 205693418U, CN-U-205693418, CN201620442223, CN201620442223.8, CN205693418 U, CN205693418U
【发明人】王辰飞
【申请人】天津能极科技有限责任公司