能量采集器的电压调整的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于能量采集设备的电压调整装置、能量采集设备和用于能量采集设 备的电压调整方法。
【背景技术】
[0002] 自供电传感器（具体指未连接到公用电网的传感器）通常可从能够产生低AC电 压的小电磁源获得能量。由于传感器需要DC电压，所以可能需要整流小电磁源提供的AC 电压以产生DC电压。由此，特别的，由于在所使用的二极管处的压降，整流过程可能会降低 能量采集器的效率。为了补偿二极管所造成的压降，已经提出了使用升压转换器，以及同时 不使用额外的电感。
[0003] 能量采集设备（亦称为能量采集器或具体称为电磁能量采集器）可涉及用于采集 或获取（具体指接收并随后存储）电磁能量的设备，如（变化的）电磁场中包括的能量，流 过导体的电流中包括的能量，其中在导体的两端产生有电压。能量采集设备例如可用于驱 动本身没有连接到向多个消费者供电的公用电网的自主设备。自主设备也可以以自给自足 的方式来运作，而不需要通过连接到公用电网的电缆来供给能量。自主设备例如可包括无 线传感器或可穿戴电子设备。自主设备例如可包括具体需要直流电压的低能量电子设备。
[0004] 根据G.D.Szarka等于2011年8月1至3日，在2011年度低功耗电子与设计国际 会议（InternationalSymposiumonLowPowerElectronicsandDesign，ISLPED)发表 的"ExperimentalInvestigationofInductorless,Single-StageBoostRectification forsub-mWElectromagneticEnergyHarvesters"，第 361-366 页，电磁振动能量米集系 统是已知的，其中附接到悬臂梁的磁体相对于线圈振荡，从而在线圈的电端产生感应电压， 该能量采集设备包括升压整流器用于提高输出电压。由此，在两个可分离阶段来实施输出 电流的整流和输出电压电平的升高。此外，还使用能量采集器的寄生杂散电感。
[0005] 连接到能量采集器输出端的负载可具体要求预定范围内的电压。然而，已经观察 到，通过传统能量采集设备提供的输出电压可能无法在所有情况或情形下都位于预定范围 内，这可能会导致禁止在这些情形下操作负载。由此，负载可具体包括需要特定电压范围内 的电压功率的传感器。
[0006] 因此，需要一种能量采集器的电压调整装置和能量采集器的电压调整方法，用于 缓和或至少减少上述存在的问题。
【发明内容】
[0007] 上述需求由独立权利要求的主题解决。从属权利要求详细说明本发明的具体实施 例。
[0008] 根据本发明的实施例，提供一种用于能量采集器或能量采集设备的电压调整装 置，其可具体包括在能量采集器内。由此，所述装置包括第一（电）输入端子和第二（电） 输入端子，适于接收其间的交流电压（该交流电压的频率具体为5Hz至100Hz之间），其中 所述交流电压具有输入振幅（即输入的交流电压的振幅）。因此，所述交流电压在电感处 提供或通过电感提供，特别是发生或存在电感作用的两个终端之间（电感是传导系统或导 体的特性，通过电感，导体中的电流变化使导体本身产生电压，其中，具体的，随时间变化的 流过所述导体的电流产生磁场，从而感应出电压）。所述装置还包括开关模块（具体包括 一个或多个可控开关，例如晶体管等），连接在第一输入端子和第二输入端子之间用于可控 地连接第一输入端子和第二输入端子（其中第一输入端子和第二输入端子均可不连接到 大地或接地电势，或者第一输入端子和第二输入端子其中一个可连接到接地电势）。进一 步的，所述装置包括：控制器（具体包括电路，尤其是可编程半导体电路），适于接收指示所 述电压的输入振幅的输入信号（例如，电/光或无线输入信号）（如此，所述输入信号本身 可不对应于或等于所述电压的输入振幅，但是从所述输入信号可推导出所述电压的输入振 幅，具体包括计算、转化和/或推导），以及控制所述开关模块（具体通过向所述开关模块提 供离散的或连续的控制信号）以根据所述输入振幅（或/和所述输入信号）可选地（如此 以便选择是以第一模式操作所述开关模块还是以第二模式操作所述开关模块）以第一模 式（具体为第一操作模式）或第二模式（具体为第二操作模式）来进行操作（例如，当所 述输入振幅在第一电压范围内时以第一模式操作所述开关模块，当所述输入振幅在第二电 压范围内时以第二模式操作所述开关模块），以便调整（具体指维持或改变）所述电压从而 获得预定范围内的输出振幅（即输出电压的振幅）（特别是适于连接到所述能量采集器输 出端的负载的范围内，所述负载具体为自主设备，诸如无线传感器）。
[0009] 所述预定电压范围可具体为2V至IOV之间，进一步具体为3. 4V至6. 4V之间。由 此，当使用所述电压调整装置对输出电压进行调整时，传统的传感器装置或传感器设备可 由所述采集器的输出电压来供电。
[0010] 连接到所述能量采集器输出端的设备例如可包括状态监测设备，用于监控滚柱轴 承的状态，特别是风能转换器中使用的滚柱轴承或者火车车身的车轮所包括的滚柱轴承。 具体的，所述能量采集器可向无线监测系统提供能量用于用监测车轮轴承的状态。具体的， 车轮的转速可在较宽范围内改变，如300rpm和3000rpm之间。具体的，车轮的旋转可以驱 动连接到车轮转轴的发电机，发电机包括定子绕组（提供电感）和磁性区域。
[0011] 具体的，所述电感可与线圈相关联或由线圈形成，线圈特指发电机的定子绕组。特 别的，发电机的定子绕组所提供的电感可由所述电压调整装置使用以进行电压调整，而除 发电机的定子绕组的电感外，不需要额外的电感。由此，可避免使用额外的电感，从而简化 所述装置。
[0012] 所述开关模块可适于（尤其是由所述控制器控制时），在可由所述控制器设置的 特定时间间隔，在第一输入端子和第二输入端子之间建立连接，具体通过向包含在所述开 关模块中的可控开关提供的一个或多个特定控制信号。具体的，所述电感由发电机的定子 绕组提供时，当发电机的转轴加速时，输入电压可以相对高，如果转轴以低转速转动，则输 入电压可以相对低（具体指，对于负载电路来说过低）。通过控制所述开关模块处于第一模 式和第二模式，根据所述输入信号（具体表示发电机的转速），所述输出振幅可被调整为位 于所述预定范围内。进一步的，可关闭所述开关模块，并可在某些情况下不影响所述采集设 备的正常操作。特别的，如果所述输入电压超出（被供电的电路的）所述预定范围，可以使 用所述开关模块（尤其是由所述控制器控制时）作为旁路，以限制所述输入电压，使其在所 述能量采集器输出端处具体位于预定范围内。
[0013] 在传统系统中，电子部件的数目可能增加，从而增加传统解决方案的复杂性和成 本。根据本发明的实施例与传统系统相比，其电子部件的数目减少了，成本也降低了。进一 步的，大多数传统解决方案是不透明的，一处故障可能会导致整个系统瘫痪。根据本发明的 实施例，提供了一种透明的电压调整装置，并且一处故障不会使整个能量采集系统瘫痪。此 外，传统系统的整体效率可能会低。根据本发明的实施例，能量采集效率得到提高。
[0014] 根据本发明的实施例，所述电压调整装置可利用发电机的定子绕组所提供的电 感。在其他实施例中，所述电感可由其他电子元件来提供。具体的，根据本发明的实施例， 由于能量源的杂散电感可用于提高电压的振幅（具体在第二模式中），所述电压调整装置 可不需要额外的电感器。具体的，电感的特性可仅在所述开关模块的第二操作模式中使用， 但不可在每个开关模块的开关操作模式的第一模式（和第三模式）中使用。
[0015] 根据本发明的实施例，在发电机（电/机械装置，用于从旋转机械能产生电能）的 定子绕组（或线圈，具体指，缠绕若干转的导体）的两端之间提供所述电感，其中所述输入 信号表示相对于定子绕组转旋的发电机转轴的转速（或角速度）。所述输入信号可具体表 示所述转轴的旋转频率。所述转速可具体为300rpm至3000rpm之间，进一步具体为450rpm 至2000rpm之间，这对应于火车车身的车轮的典型转速。从而，当交流电压被从定子绕组两 端提供给第一输入端子和第二输入端子时，本实施例可具体应用，其中在定子绕组中发电 机转轴的旋转产生感应电压（其中磁性区域被附接或固定于发电机的转轴）。
[0016] 由于感应电压的振幅可取决于发电机转轴的转速，则转速可提供有关交流电压输 入振幅的信息，使得能够从转速导出输入振幅。具体的，不需要直接测量交流电压，从而简 化了所述装置。