一种无源振动微能量采集与存储管理系统的制作方法

本发明专利涉及能源技术领域，具体涉及一种无源振动微能量采集与存储管理系统。

背景技术：

当今世界，能源短缺问题已经是一个最热门的问题之一。而能量采集技术就是针对当今能源问题而兴起的热门技术，它将环境中闲置能量采集和存储起来作为可用的电能使用。振动微能量由于其分布广泛、绿色污染等优势成为当今能量采集领域的研究热点。人们从振动源中提取出的能量储存在超级电容、可重复充电的芯片兼容型电池中(如薄膜锂离子电池)，并通过调节器电路为传感器负载供电，解决了极端环境下传感器负载能量供应问题，极大提高了工作效率，减小了人力物力损耗。随着新能源技术领域和微机电技术的发展，振动微能量采集与存储管理系统必将逐渐走人们日常生活，具有广阔的市场价值和科研价值。目前市场上已有的振动微能量采集与存储技术存在的主要问题是效率低、最低输入电压较高、功耗高，需要外供电源等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种无源振动微能量采集与存储管理系统，本发明的工作过程超低功耗、高效率、无需外供电源。

为解决上述技术问题，本发明专利设计了一种无源振动微能量采集与存储管理系统，包括msma能量转换模块、升压振荡模块、多级存储模块、ac/dc整流转换模块、电源管理模块；其中，升压振荡模块与msma能量转换模块相连，接收采集器输出微电能并进行升压；多级存储模块包括一级存储和二级存储，一级存储前接升压振荡模块后与ac/dc整流模块相连；二级存储前接ac/dc整流模块，后接电源管理模块。

所述的msma能量转换模块包括一个msma能量采集器，包括msma，线圈，永磁体和磁轭；其中，msma设置在线圈中心，永磁体设置在线圈上下两端，磁轭设置在永磁体和线圈外部。

所述的升压振荡模块包括一个mosfet开关，一个升压变压器，一个耦合电容；升压变压器一次侧接mosfet开关，经耦合电容与变压器二次侧相连，mosfet开关、升压变压器、耦合电容形成一谐振升压振荡器，使得输入电压可以低至20mv。

所述的多级存储模块包括两个低泄漏存储电容，一级存储电容cin1接msma能量转换模块与升压振荡模块相连，二级存储电容cin2接ac/dc整流模块与电源管理模块相连。

所述的ac/dc整流转换模块包括四个低压降肖特基二极管，d1、d2、d3、d4构成桥式整流电路。

所述的电源管理模块包括超低功耗升压转换器bq25504构成的升压充电模块和可选的储能器件模块(超级电容、锂电池、薄膜锂电池、常规电容等)，通过外围电路中电阻、电感、电容设置实现最大功率点跟踪功能、dc/dc升压充电功能。

所述的msma的长为5mm宽为5mm高为20mm。

所述的磁轭材料采用硅钢片，外围尺寸为20cm×15cm×1mm；内围尺寸为10cm×4cm×1mm。

所述的永磁体采用烧结钕铁硼，尺寸为4cm×5cm×5cm。

本发明的优点是：本发明的设计优势在于超低功耗、高效率、全程无需外供电源设备。采用msma能量采集器，将采集电压范围扩宽至20mv启动，超低功耗升压转换器，实现超低功耗高效率电源管理。电源管理设计采用的是bq25504智能高度集成芯片进行电能管理。bq25504可集成动态最大功率点跟踪，用于提取最优能量。输入电压调节，可防止输入源储能损坏，能源可以存储到可再充电的锂离子电池，薄膜电池，超级电容器，或传统的电容器电池里，其冷启动电压为vin≥330mv(典型值)，集成可编程动态最大功率点跟踪(mppt)，可编程过温关闭断电等功能。

附图说明

图1一种无源振动微能量采集与存储管理系统结构图

图2msma能量采集器结构图

图3磁通密度矢量局部放大图

图4一种无源振动微能量采集与存储管理系统电路原理图

图5超低功耗升压充电芯片bq25504系统功能图

图6bq25504电源管理充电效率图

图7bq25504控制电路使能功能表

图8bq25004升压充电模块外围电路设计图

图9bq25504升压充电模块封装图

图2中，1为msma、2为线圈、3为永磁体、4为磁轭。

表格说明

表1为绕组参数详表

表2为ansys模型参数表

表3为阈值参数详表

表4为器件参数详表

具体实施方式

本发明一种无源振动微能量采集与存储管理系统结合实施例加以说明。

如图1-9所示，一种无源振动微能量采集与存储管理系统，包括msma能量转换模块、升压振荡模块、多级存储模块、ac/dc整流转换模块和电源管理模块；其中，升压振荡模块与msma能量转换模块相连，接收采集器输出微电能并进行升压；多级存储模块包括一级存储和二级存储，一级存储前接升压振荡模块后与ac/dc整流模块相连；二级存储前接ac/dc整流模块，后接电源管理模块；

所述的msma能量转换模块包括一个msma能量采集器，包括msma1，线圈2，永磁体3和磁轭4；其中，msma1设置在线圈2中心，永磁体3设置在线圈2上下两端，磁轭4设置在永磁体3和线圈2外部；

所述的升压振荡模块包括一个mosfet开关，一个升压变压器，一个耦合电容；升压变压器一次侧接mosfet开关，经耦合电容与变压器二次侧相连，mosfet开关、升压变压器和耦合电容组成一谐振升压振荡器，使输入电压可以低至20mv；

所述的多级存储模块包括两个低泄漏存储电容，一级存储电容cin1接msma能量转换模块与升压振荡模块相连，二级存储电容cin2接ac/dc整流模块与电源管理模块相连；

所述的ac/dc整流转换模块包括四个低压降肖特基二极管，d1、d2、d3、d4构成桥式整流电路；

所述的电源管理模块包括超低功耗升压转换器bq25504构成的升压充电模块和可选的储能器件模块，通过外围电路中电阻、电感、电容设置实现最大功率点跟踪功能、dc/dc升压充电功能。

所述的msma的长为5mm宽为5mm高为20mm。

所述的磁轭材料采用硅钢片，外围尺寸为20cm×15cm×1mm；内围尺寸为10cm×4cm×1mm。

所述的永磁体采用烧结钕铁硼，尺寸为4cm×5cm×5cm。

本系统中所选用的是烧结钕铁硼永磁体，化学式为nd2fe14b。钕铁硼永磁体是目前磁性能很好的一种永磁体，其内部磁能积和内禀矫顽力是一般永磁体的5～10倍，而且充磁效率很高，居里温度点较高，能够在高温状态下依然保持良好的磁性。

如图1，一种无源振动微能量采集与存储管理系统包括msma能量转换模块、升压振荡模块、多级存储模块、ac/dc整流转换模块、电源管理模块五个模块构成。msma能量转换模块主要由msma能量采集器构成，可以将环境中振动能量转换为电能，把低至20mv的电能升压整流之后接入电源管理模块，完成微能量的采集与存储管理，全程无需外供电源，低功耗，高效率。

如图2，msma能量采集器结构图，此结构与以往各式能量采集器不同，结构新颖，其绕组参数与ansys模型参数分别见表1和表2。综合考虑到价格成本、制备工艺和磁导率最终采用硅钢片作为磁轭材料。采用烧结钕铁硼作为永磁体材料。经过ansys仿真分析，msma材料周围环境的磁通密度为0.6t～0.76t左右。如图3所示。

表1绕组参数详表

表2ansys模型参数表

如图4，一种无源振动微能量采集与存储管理系统电路原理图，msma能量采集器所采集的电信号首先在cin1中进行滤波暂存，然后通过升压器升压过全桥整流(对于20mvd的输入信号，变压器匝数为1：100)变成可利用的直流信号，再由cin2进行暂存过渡，达到bq25504工作电压后传入电源管理模块。

如图5，bq25504系统功能图。主要有输入升压电路、控制电路、mppt跟踪电路。

输入升压电路包含两个输入升压电路，一个是低压冷启动电路，vin_dc>vin(cs)(冷启动阶段开始给vstor充电的最小输入电压)时，仅从vin_dc获取能量。另一个是主升压充电电路，用vstor_chge表示冷启动操作结束主升压操作开始的标志，当vstor≧vstor_chge时，偏置电路从vstor获取能量，开启主升压充电操作。

如图6，bq25504电源管理充电效率图，不同输入条件下，输出效率典型值如图6所示，结果显示效率均在80％以上。

如图7，bq25504控制电路使能功能表。控制电路模块中为了最大限度地调节系统的灵活性，使用两个使能引脚控制电路，一个命名为en，与vbat相连；另一个命名为vout_en，与vstor相连。当en为高电平，保证升压充电和电池管理电路都不工作，同时vbat与vstor之间的场效应管关闭，芯片处于低耗能状态，能够长期维持电量。当en为低电平时，分待机模式和运行模式。vbat_ok是输出电池良好标志，其高低电平由vstor大小决定。

为了实现mppt最大功率点跟踪，最大效率获取采集信号，采用电阻比例分压法，利用bq25504实现了输出电压为开路电压的一半，进而实现了输出功率的最大化。具体操作：在引脚vin_dc和引脚voc_samp分别接电阻rmp2和电阻rmp1。vin_dc通过rmp2接voc_samp，voc_samp通过rmp1接地。bq25504芯片每16s采样一次引脚voc_samp的电压值，当msma能量采集器的输出功率发生变化时，可以保证在较短时间内准确跟踪到采集器输出功率的最大点，实现有效的电能采集。为了保护电能存储设备寿命长且高效工作，本系统结合为实现对5.5v超级电容充电设定了欠压阈值(vbat_uv)、充电完成阈值(vbat_ok)、过压阈值(vbat_ov)。vbat_uv和vbat_ov的设定分别用于避免储能电容器储能设备过度放电和过度充电，尽可能延长储能电容器的使用寿命。vbat_ok的设定用于控制充放电过程，进而控制整个电路的工作流程。具体阈值参数见表3。其他值参照bq25504器件说明书。

表3阈值参数详表

如图8，bq25004升压充电模块外围电路设计图，器件具体参数见表4。

表4器件参数详表

如图9，bq25504升压充电模块封装图，19mm*21mm的封装大小，集成体积小，使用方便，可适应于各类传感器节点应用场所。

籍此，便形成了一种无源振动微能量采集与存储管理系统。通过本系统可以实现环境振动能量的有效采集和管理，全程无需外供电源。非常适合为黑暗、悬崖峭壁、野外等极端环境下传感器节点负载供电，大大延长了系统的供电寿命，减少了人力物力成本。