一种具有动能回收的便携式充电装置的制作方法

本发明涉及充电设备技术领域，具体为一种具有动能回收的便携式充电装置。

背景技术

目前在路灯、电动汽车、高铁上等大型用电设备上，虽然有较为成熟的能量回收装置，比如说电动汽车与高铁上的制动回收、路灯上的太阳能光伏板等。但是在个人消费设备上，如手机、笔记本电脑、无线鼠标、电子手表、甚至电动汽车等，缺乏能量回收装置的发明与应用。因此，发展面向个人消费设备的动能、振动等能量回收装置具以下重要意义。

现有的小型动能回收装置，主要采用机械能回收部件与小型发电机组合，产生低压、低频的交流(AC)输出电压，再通过交流-直流电能(AC-DC)变换电路实现稳定的低压(比如5V)输出电压供后级电池组、负载等使用。利用机械结构存在一定摩擦、机械能损耗，减小了能量的回收率；且需要将低频、低压交流输入高效地转换为稳定的直流电能，即实现高效地电能转换。

技术实现要素：

1、本发明要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种具有动能回收的便携式充电装置，以解决上述背景技术中提出的问题：

1)利用机械结构存在一定摩擦、机械能损耗，减小了能量的回收率。

2)如何将所产生的低压、低频电能高效地转换为稳定的直流电能。

2、技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有动能回收的便携式充电装置，包括机体、动能回收部件、AC-DC 电能变换部件和储能部件，所述动能回收部件通过锁紧组件嵌设在机体内，所述动能回收部件包括环体、两个弹簧、导体线圈、永磁体小球、导杆、两个密封盖和两个凸块，所述环体呈椭圆状，两个所述凸块对称固定安装在环体内部，所述导杆垂直设置在两个凸块之间，且两端分别固定套设在两个凸块内，所述永磁体小球滑动套设在导杆上，两个所述弹簧均套设在导杆上，且相互靠近的一端分别与永磁体小球两端固定连接，两根所述弹簧相互远离的一端分别与两个凸块相互靠近的一面固定连接，所述导体线圈为一根导线，且对称固定密封缠绕在环体两侧，所述导体线圈两端均电性连接有第一导电块，两个所述第一导电块均固定嵌设在环体内，两个所述密封盖对称固定贴合在环体两侧，所述环体中部与两个密封盖形成真空腔，所述储能部件设置在机体右侧，所述AC-DC电能变换部件设置在机体底侧，两个所述第一导电块与AC-DC电能变换部件之间电性连接。

通过锁紧组件，可实现动能回收部件的更换，优选的，所述锁紧组件包括第一卡块、两个第二卡块、多个压簧和两组推动部件，所述第一卡块和两个第二卡块均滑动嵌设在机体内，且伸出端均为圆弧形，所述机体内开设有安置腔，所述安置腔呈C形，多个所述压簧均设置在安置腔内，且分别位于第一卡块和两个第二卡块端部，多个所述压簧靠近环体的一端分别与第一卡块和两个第二卡块端面固定连接，两组所述推动部件对称滑动设置在安置腔内。

通过推动部件，可实现第一卡块和两个第二卡块同时移动，优选的，所述推动部件包括推杆、第一推块、第二推块和多个滚轮，所述推杆呈L型，多个所述滚轮均通过销轴对称转动安装在推杆两侧，所述推杆通过多个滚轮滑动安装在安置腔内，所述推杆水平段的端部与第二卡块端部固定连接，所述第一推块固定安装在第一卡块左侧面，所述第二推块垂直固定安装在推杆竖直段底端，所述第一推块和第二推块滑动接触，且相互靠近的一面均呈斜面。

为了提升了AC-DC电能变换的效率，本设计方案提出了一种无桥高效 AC-DC升压变换器拓扑，优选的，所述AC-DC电能变换部件包括升压电感、第一低频开关管、第二低频开关管、第一高频开关管、第二高频开关管、第一输出二极管、第二输出二极管、第一输出电容和第二输出电容，两个所述第二卡块中位于底侧的内部固定嵌设有两个第二导电块，两个所述第二导电块均与AC-DC电能变换部件电性连接，两个所述第二导电块顶端均呈凹槽状，两个所述第一导电块分别与两个第二导电块卡接。

采用两个升压变换拓扑形成输出串联的设置，可以实现更高的输出电压增益，优选的，所述升压电感的一端与第二导电块的一端电性连接，所述第一低频开关管的源极与第二低频开关管的漏极均与升压电感的一端电性连接，所述第一高频开关管的源极、第二高频开关管的漏极、第一输出电容的负极和第二输出电容的阳极均与另一块第二导电块电性连接，所述第一高频开关管的漏极和第一输出二极管的阳极均与第一低频开关管的漏极电性连接，所述第二高频开关管的源极和第二输出二极管的阴极均与第二低频开关管的源极电性连接，所述第一输出二极管的阴极与第一输出电容的正极以及储能部件的一端电性连接，所述第二输出二极管的阳极与第二输出电容的负极以及储能部件的另一端电性连接。

利用MOSFET开关管比整流二极管拥有更低的导通损耗与更低的导通压降的特性，优选的，所述第一低频开关管、第二低频开关管、第一高频开关管和第二高频开关管均为MOSFET开关管，所述储能部件内部包括多个电池组，多个所述电池组均与储能部件之间电性连接，所述储能部件的输出端电性连接有负载。

3、有益效果

(1)本发明通过在真空腔体中，由弹簧带动的永磁体小球在导杆上来回移动切割固定导线，实现动能转变成交流电能输出。这种在真空中进行的动能回收方法可以避免机械与空气阻力带来的能量损耗，提升动能回收的效率；

(2)本发明通过弹簧这种阻尼系统，可以使得交流输出电压峰值的变化更为平滑，降低对后级AC-DC变换电路的输入动态冲击；

(3)本发明通过锁紧组件对动能回收部件进行锁紧，便于更换，由于使用者的身体活动幅度和力度不同，从而使得弹簧的压缩和伸长不同，根据使用者的身体情况，配备的动能回收部件中的弹簧软硬程度应不同，通过锁紧部件，便于动能回收部件的更换，以实现能量回收功用的最大化，进一步提升能量回收的效率；

(4)本发明通过在AC-DC电能变换电路中采用了无桥高效AC-DC变换器拓扑，并主要利用MOSFET开关管比整流二极管拥有更低的导通损耗与更低的导通压降的特性，取消了传统电路中的二极管整流桥，提升了AC-DC电能变换的效率；

(5)本发明通过采用两个升压变换拓扑形成输出串联的设置，可以实现更高的输出电压增益，即满足将低压交流输入整流产生直流电压输出的要求。

附图说明

图1为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置立体结构示意图；

图2为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中动能回收部件的立体结构示意图；

图3为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置的正视截面结构示意图；

图4为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置图3中的A处结构放大图；

图5为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置图3中的B处结构放大图；

图6为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置的动能回收部件等效电路示意图；

图7为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置的电能转换系统架构图；

图8为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件的等效电路图(含电流参考方向)；

图9为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件在正半工作周期工作模态一时的等效电路图；

图10为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件在正半工作周期工作模态二时的等效电路图；

图11为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件在正半工作周期工作模态三时的等效电路图；

图12为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件在负半工作周期工作模态一时的等效电路图；

图13为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件在负半工作周期工作模态二时的等效电路图；

图14为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件在负半工作周期工作模态三时的等效电路图；

图15为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件在正半工作周期工作时等效电路在一个开关周期内管件期间波形图；

图16为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件的控制实现原理图；

图17为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件的控制实现电路的驱动信号图；

图18为本发明提出的一种具有动能回收的便携式充电装置中AC-DC电能变换部件的关键器件波形仿真图。

图中：1、机体；2、AC-DC电能变换部件；3、储能部件；4、环体；5、弹簧；6、导体线圈；7、永磁体小球；8、导杆；9、密封盖；10、凸块；11、第一导电块；12、第一卡块；13、第二卡块；14、压簧；15、安置腔；16、推杆；17、第一推块；18、第二推块；19、滚轮；20、升压电感；21、第一低频开关管；22、第二低频开关管；23、第一高频开关管；24、第二高频开关管；25、第一输出二极管；26、第二输出二极管；27、第一输出电容；28、第二输出电容；29、第二导电块；30、电池组；31、负载。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参阅图1-18，一种具有动能回收的便携式充电装置，包括机体1、动能回收部件、AC-DC电能变换部件2和储能部件3，动能回收部件通过锁紧组件嵌设在机体1内，动能回收部件包括环体4、两个弹簧5、导体线圈6、永磁体小球7、导杆8、两个密封盖9和两个凸块10，环体4呈椭圆状，两个凸块 10对称固定安装在环体4内部，导杆8垂直设置在两个凸块10之间，且两端分别固定套设在两个凸块10内，永磁体小球7滑动套设在导杆8上，两个弹簧5均套设在导杆8上，且相互靠近的一端分别与永磁体小球7两端固定连接，两根弹簧5相互远离的一端分别与两个凸块10相互靠近的一面固定连接，导体线圈6为一根导线，且对称固定密封缠绕在环体4两侧，导体线圈6两端均电性连接有第一导电块11，两个第一导电块11均固定嵌设在环体4内，两个密封盖9对称固定贴合在环体4两侧，环体4中部与两个密封盖9形成真空腔，储能部件3设置在机体1右侧，AC-DC电能变换部件2设置在机体1 底侧，两个第一导电块11与AC-DC电能变换部件2之间电性连接。

储能部件3内部包括多个电池组30，多个电池组30均与储能部件3之间电性连接，储能部件3的输出端电性连接有负载31。

当人体携带机体1一起活动时，随着人体的动作或者振动，在真空腔体中，由弹簧5带动的永磁体小球7在导杆8的支撑下，来回做纵向运动，在固定导体线圈6的空间产生变化的磁场，固定导体线圈6内部的电子受到变动的磁场作用，将遵循法拉第电磁感应定律而在端口产生微弱的交流电动势 Vemr，Vemr的交变频率、交流电压峰值受弹簧5长度、弧度、人体运动频率等因素影响，由于密封盖板9和环体4组成了密封的真空腔，从而避免了机械与空气阻力带来的能量损耗，提升动能回收的效率，由于导杆8的存在，会使得永磁体小球7仅会产生纵向运动，进一步提升能量回收的效率。

根据公开文献资料可知，可以认为Vemr交流频率为10～100Hz、交流峰值电压为1.5-4.5V。交流电压Vemr再经过无桥升压变换器，实现高效率地整流与稳压输出，产生5V的直流输出电压为电池组30充电，并向负载31供能。

由于采用两个弹簧5相互配合，可以使得交流输出电压峰值的变化更为平滑，降低对后级AC-DC变换电路的输入动态冲击。

实施例2：基于实施例1有所不同的是；锁紧组件包括第一卡块12、两个第二卡块13、多个压簧14和两组推动部件，第一卡块12和两个第二卡块 13均滑动嵌设在机体1内，且伸出端均为圆弧形，由于圆弧面的存在，可对环体4进行水平位置的限定，避免其自行晃动，机体1内开设有安置腔15，安置腔15呈C形，多个压簧14均设置在安置腔15内，且分别位于第一卡块12和两个第二卡块13端部，多个压簧14靠近环体4的一端分别与第一卡块 12和两个第二卡块13端面固定连接，两组推动部件对称滑动设置在安置腔 15内。

推动部件包括推杆16、第一推块17、第二推块18和多个滚轮19，推杆 16呈L型，多个滚轮19均通过销轴对称转动安装在推杆16两侧，推杆16通过多个滚轮19滑动安装在安置腔15内，推杆16水平段的端部与第二卡块13 端部固定连接，第一推块17固定安装在第一卡块12左侧面，第二推块18垂直固定安装在推杆16竖直段底端，第一推块17和第二推块18滑动接触，且相互靠近的一面均呈斜面。

由于使用者的身体活动幅度和力度不同，从而使得弹簧5的压缩和伸长量均不同，为获得良好的能量回收效果，应根据使用者的身体素质配备不同软硬的弹簧5，由于弹簧5处于真空环境中，从而不便于对弹簧5进行单独的更换，从而需要更换动能回收部件整体，更换时，向左推动环体4，环体4移动，带动第一卡块12移动，第一卡块12带动两个第一推块17移动，两个第一推块17水平移动，驱使两个第二推块18相互远离，两个第二推块18相互远离，带动两个推杆16相互远离，两根推杆16分别带动两个第二卡块13相互远离，从而使得第一卡块12和两个第二卡块13同时解除对环体4的锁紧，第一卡块12和第二卡块13移动时，同时压缩多个压簧14，待环体4取出后，多个压簧14伸长，使第一卡块12和两个第二卡块13复位，当安装动能回收部件时，首先将环体4与第一卡块12接触，并推动，再次使第一卡块12和两个第二卡块13相互远离，对环体4进行锁紧，实现更换，通过此种方式，便于动能回收部件的更换，以实现能量回收功用的最大化，进一步提升能量回收的效率。

实施例3：基于实施例1有所不同的是；AC-DC电能变换部件2包括升压电感20、第一低频开关管21、第二低频开关管22、第一高频开关管23、第二高频开关管24、第一输出二极管25、第二输出二极管26、第一输出电容 27和第二输出电容28，两个第二卡块13中位于底侧的内部固定嵌设有两个第二导电块29，两个第二导电块29均与AC-DC电能变换部件2电性连接，两个第二导电块29顶端均呈凹槽状，两个第一导电块11分别与两个第二导电块29卡接，当更换动能回收部件时，第一导电块11和第二导电块29卡接，从而实现电路的导通，AC-DC电能变换部件2实际上为本设计方案提出的一种无桥高效AC-DC升压变换器拓扑。

升压电感20的一端与第二导电块29的一端电性连接，第一低频开关管 21的源极和第二低频开关管22的漏极均与升压电感20的一端电性连接，第一高频开关管23的源极、第二高频开关管24的漏极、第一输出电容27的负极和第二输出电容28的阳极均与另一块第二导电块29电性连接，第一高频开关管23的漏极和第一输出二极管25的阳极均与第一低频开关管21的漏极电性连接，第二高频开关管24的源极和第二输出二极管26的阴极均与第二低频开关管22的源极电性连接，第一输出二极管25的阴极与第一输出电容 27的正极以及储能部件3的一端电性连接，第二输出二极管26的阳极与第二输出电容28的负极以及储能部件3的另一端电性连接。

第一低频开关管21、第二低频开关管22、第一高频开关管23和第二高频开关管24均为MOSFET开关管，储能部件3内部包括多个电池组30，多个电池组30均与储能部件3之间电性连接，储能部件3的输出端电性连接有负载31。

由于正负半周期的工作模态相似，因此以下内容仅以正半周期的工作模态为例，介绍系统工作原理：

工作模态一[0,d1TS]：该阶段，第一低频开关管21、第一高频开关管 23均处于导通状态，输入端向升压电感20充能，升压电感20的电流iL1线性上升，第一低频开关管21的电流与iL1的幅值相同，但是方向相反。

工作模态二[d1TS,d1TS+d2TS]：当第一高频开关管23关断时，工作模态二开始，电感电流峰值为IL1,pk。第一低频开关管21仍处于导通状态，第一输出二极管25导通，输入端与存储于升压电感20的能量共同向负载31供能，升压电感20电流iL1线性下降，第一低频开关管21的电流与iL1的幅值相同，但是方向相反。

工作模态三[d1TS+d2TS,TS]：当升压电感20电流iL1线性下降到零时，工作模态三开始。第一低频开关管21、第一高频开关管23和第一输出二极管 25均处于关断状态，输入侧与输出侧在本阶段不存在能量交换。

由于本发明的无桥升压变换器拓扑中第一输出二极管的25和第二输出二极管26的存在，输出电压不会因同一桥臂同时导通而短路，因此不需要设置同一桥臂的死区，简化了系统整体控制，具体控制方法如下：输出电压Vo采样信号与输出参考电压Vo,ref比较，再经过PI参数调节得到误差反馈信号，误差反馈信号与三角波比较，产生第一比较器的输出信号vcomp1；

另一方面，输入电压vEMR采样信号与“0”参考信号比较，产生第二比较器的输出信号vcomp2；

vcomp2与vcomp1经过与门产生第一高频开关管23的驱动信号；

vcomp2经过非门后，再与vcomp1经过与门产生第一高频开关管23的驱动信号；

vcomp2作为第一低频开关管21的驱动信号；

vcomp2经过非门后，作为第二低频开关管22的驱动信号。

需要说明的是，第一高频开关管23和第二高频开关管24的高频，指其控制信号处于较高的频率切换，由变换器设计的开关频率决定(比如47kHz、 65kHz等)；第一低频开关管21和第二低频开关管22的控制信号处于低频变化，由输入电压的工作频率决定(比如20～100Hz)。

为验证本发明的AC-DC电能变换部件2的电路可行性，采用了PSIM仿真软件对该电路进行了仿真验证。具体参数：交流输入采用正弦信号拟合，交流电压峰值为2.2V，频率为10Hz，升压电感20为20uH，第一输出电容27和第二输出电容28的值均为200uF，输出电压为5V，负载31为1000Ω，功率为25mW，开关频率为47k，PI参数中P为0.02，I为0.005。

由图18可知，在交流输入峰值2.2V、频率10Hz的情况下，无桥升压变换器实现了5V的稳压输出。且第一高频开关管23和第二高频开关管24分别在输入电压vin的正负半周期交替工作，实现了无整流桥时的AC-DC变换运行。而且，各器件仿真波形稳定，表明了变换器能稳定运行工作，各器件的仿真波形与图15所示的理论波形相一致。

通过在AC-DC电能变换电路中采用了无桥高效AC-DC变换器拓扑，并主要利用MOSFET开关管比整流二极管拥有更低的导通损耗与更低的导通压降的特性，取消了传统电路中的二极管整流桥，提升了AC-DC电能变换的效率，通过采用两个升压变换拓扑形成输出串联的设置，可以实现更高的输出电压增益，即满足将低压交流输入整流产生直流电压输出的要求。

需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。