一种能量管理电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种能量管理电路，该能量管理电路包括：预处理模块，第一能量储存模块，控制模块，充电管理模块和第二能量储存模块，其中：预处理模块用于对于输入的电信号进行预处理；第一能量储存模块用于对经过预处理的电信号进行能量收集和储存；控制模块用于根据第一能量储存模块的状态控制第一能量储存模块对于后级模块的供电通断；能量管理模块用于调制第一能量储存模块释放的电能，以对第二能量储存模块进行稳定充电；第二能量储存模块用于储存能量管理模块输入的电能，以为负载供电。本发明可以对所有输出电信号进行调制和能量管理，应用广泛。
【专利说明】一种能量管理电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微纳能源收集存储【技术领域】，具体涉及一种能量管理电路，是一种能 够将电信号断续存储在能量储存模块中的完全自驱动自控制的新型能量管理电路。
【背景技术】
[0002] 摩擦发电机属于继电磁发电机和压电发电机之后又一重要的能量收集技术，它利 用摩擦起电效应和静电感应的耦合，将周围环境中普遍存在的机械能转换为电能。根据发 电机制的不同，摩擦发电机主要分为两大类：接触分离式和平面滑动式。除了旋转式摩擦发 电机的输出为类正弦波信号，其它摩擦发电机的输出均为超短脉冲交流信号。绝大多数摩 擦发电机的输出均具有一共同特点：高电压低电流低功率。
[0003] 目前，典型的摩擦发电机能量管理电路主要由变压器，整流桥，滤波电容，稳压管 和电容组成，但是因为电容容量有限，同时放电时电压电流不稳定，这对于绝大多数需要恒 压恒流供电的商用电子设备而言，很难得到实际的应用。另外，针对摩擦发电机高压输出的 降压方法包括电容串并联降压和变压器降压方法，这两种方法都具有自身的局限性，其中， 电容串并联降压法的局限性在于，当降压倍率较大时将会使用大量的电容，不便于集成，同 时电容的串并联连接需要人为手动切换，因此这种降压方法将大大阻碍摩擦发电机的产业 化以及在自驱动自控制系统中的应用；对于变压器降压法，由于变压器的功耗对于绝大多 数非旋转式摩擦发电机低至毫瓦级别的功率而言太大，摩擦发电机的绝大部分甚至全部能 量都将损耗在变压器上，可见对于绝大部分摩擦发电机而言，变压器降压法根本不适用。
【发明内容】
[0004] 为了解决传统摩擦发电机能量管理电路功耗大、不便于集成、无法自控制以及不 能真正适用于商用电子产品等问题，本发明的目的是提供一种新型能量管理电路，该电路 主要由芯片组成，以方便集成，这使得摩擦发电机的产业化向前迈出了一大步，同时针对摩 擦发电机的高电压输出，本发明出于功耗的考虑采取不降压的方式，并且最终选用可充电 锂离子电池作为最终能量存储设备。由于锂离子电池给负载供电时，电压电流稳定且容量 比电容大得多，所以本发明能量管理电路具有低功耗，完全自驱动自控制，便于集成和产业 化的优点。
[0005] 本发明提出了一种能量管理电路，该能量管理电路包括：预处理模块，第一能量储 存模块，控制模块，能量管理模块和第二能量储存模块，其中：
[0006] 所述预处理模块用于对于输入的电信号进行预处理；
[0007] 所述第一能量储存模块与所述预处理模块连接，用于对经过预处理的电信号进行 能量收集和储存；
[0008] 所述控制模块与所述第一能量储存模块连接，用于根据所述第一能量储存模块的 状态控制所述第一能量储存模块对于后级模块的供电通断；
[0009] 所述能量管理模块与所述控制模块连接，用于调制所述第一能量储存模块释放的 电能，以对所述第二能量储存模块进行稳定充电；
[0010] 所述第二能量储存模块与所述能量管理模块和负载连接，用于储存所述能量管理 模块输入的电能，以为负载供电。
[0011] 其中，所述预处理模块包括整流模块和/或滤波模块，其中，所述整流模块为由多 个二极管构成的整流桥，所述滤波模块包括两个并联的电容。
[0012] 其中，所述二极管的反向恢复时间 < 电信号的周期。
[0013] 其中，所述滤波模块中的两个电容的容量不同，其中，大容量电容的容量大于 1 μ F，小容量电容的容量小于InF，且大容量电容的容量与小容量电容的容量之比> 1000。
[0014] 其中，所述第一能量储存模块包括至少一个储能电容，所述储能电容的电容量 彡500 μ F，漏电流小于10 μ A，功耗小于10 μ W。
[0015] 其中，当输入的电信号为高压电信号时，所述二极管的击穿电压、所述滤波模块中 的电容以及所述储能电容的耐受电压均彡500V。
[0016] 其中，所述控制模块包括信号控制模块和开关模块，其中：
[0017] 所述信号控制模块用于根据所述第一能量储存模块的电压高低状态向所述开关 模块输出相应的控制信号；
[0018] 所述开关模块用于根据所接收到的控制信号控制所述第一能量储存模块对于后 续模块的供电通断。
[0019] 其中，所述信号控制模块为双迟滞比较器芯片，所述开关模块为开关芯片，所述双 迟滞比较器芯片和开关芯片的启动功率均小于储能电容的输出功率。
[0020] 其中，所述能量管理模块至少包括断续充电管理芯片，所述断续充电管理芯片的 启动功率小于储能电容的输出功率。
[0021] 其中，所述第二能量储存模块为可充电锂离子电池。
[0022] 除了摩擦发电机，本发明提出的上述能量管理电路同样适合于压电发电机的能量 管理以及太阳能的收集存储，也就是说，本发明能量管理电路既可以对高电压、低电流、低 功率电信号进行调制和能量管理，也可以对低电压、高电流、高功率电信号或其它电信号进 行调制和能量管理。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明能量管理电路的结构框图；
[0024] 图2是根据本发明一实施例的能量管理电路的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0026] 图1是本发明能量管理电路的结构框图，如图1所示，所述能量管理电路包括：预 处理模块，第一能量储存模块，控制模块，能量管理模块和第二能量储存模块，其中：
[0027] 所述预处理模块用于对于输入的电信号进行预处理，得到经过预处理的电信号；
[0028] 其中，所述预处理模块包括整流模块和/或滤波模块，所述整流模块用于对于输 入的交流电信号进行整流，得到直流电信号；所述滤波模块用于对于输入电信号进行滤波， 以滤除其中的噪声。本领域技术人员可以了解，当输入的电信号为交流电信号时，需要整流 模块首先对交流电信号进行整流处理；但如果输入的电信号为直流电信号时，无需整流模 块，可直接使用滤波模块对于直流电信号进行滤波。
[0029] 所述第一能量储存模块与所述预处理模块连接，用于对所述预处理模块输出的电 信号进行能量收集和储存；
[0030] 所述控制模块与所述第一能量储存模块连接，用于根据所述第一能量储存模块的 状态控制所述第一能量储存模块对于后级模块的供电通断；
[0031] 所述能量管理模块与所述控制模块连接，用于调制所述第一能量储存模块释放的 电能，以对所述第二能量储存模块进行稳定充电；
[0032] 所述第二能量储存模块与所述能量管理模块和负载连接，用于最终储存输入的电 能，以为负载进行供电。
[0033] 图2是根据本发明一实施例的能量管理电路的电路结构示意图，理论上，所述能 量管理电路能够对于所有电信号进行能量管理，其不仅可以对于正弦电信号、锯齿电信号 等常见的电信号进行能量管理，还可以对于脉冲电信号、短脉冲电信号等非常见电信号进 行能量管理；不仅可以对于低压高功率信号进行能量管理，还可以对于高压低功率信号进 行能量管理。为了方便起见，本实施例以摩擦发电机输出的高压脉冲交流电信号为例，对于 本发明的能量管理电路进行说明，但本发明能量管理电路不仅仅限于此。如图2所示：
[0034] 在本实施例中，所述整流滤波模块包括整流模块和滤波模块，进一步地，所述整流 模块为由多个二极管构成的整流桥，比如由四个二极管Dl、D2、D3、D4构成的整流桥，具体 地，在该实施例中，第一二极管Dl的正极与第三二极管D3的负极相连，产生的结点与摩擦 发电机的一个输出端相连；第二二极管D2的正极与第四二极管D4的负极相连，产生的结点 与摩擦发电机的另一个输出端相连，第一二极管Dl的负极与第二二极管D2的负极相连，产 生的结点与后续模块的正极相连，第三二极管D3的正极与第四二极管D4的正极相连，产生 的结点接地。其中，所述二极管的击穿电压3 500V，反向恢复时间 < 交流电信号的周期。当 然，所述整流模块也可以采用已经量产化的整流桥模块。本发明对于整流模块的具体实现 形式不作具体的限定，所有能够对输入电信号进行直流整流的整流模块均落入本发明的保 护范围内。
[0035] 其中，由于绝大多数摩擦发电机的输出信号为高频高压的短脉冲交流信号，因此 构成所述整流桥的二极管需选用耐高压的快恢复二极管，比如二极管FR607。本发明将高于 500V的电压定义为高压；所述快恢复指的是所采用的二极管的反向恢复时间小于摩擦发 电机交流输出电信号的周期，由于大部分摩擦发电机的交流输出电信号的周期为几纳秒， 因此在本发明一实施例中，所述快恢复指的是所采用的二极管的反向恢复时间小于等于一 纳秒。
[0036] 所述摩擦发电机输出的交流电信号经过所述整流模块后，被整流成脉冲直流电信 号，所述整流模块将该脉冲直流电信号输出给所述滤波模块。
[0037] 在本发明一实施例中，所述滤波模块包括两个并联的电容Cl和C2,其中，第一电 容Cl的正极与第二电容C2的一端相连，形成的结点与所述整流模块的第一二极管Dl和第 二二极管D2的负极相连，第一电容Cl的负极与第二电容C2的另一端相连，形成的结点接 地。在本实施例中，由于绝大多数摩擦发电机的输出信号为高频高压的短脉冲交流信号，因 此，所述电容选为耐高压电容，其耐受电压> 500V，优选为> 1000V。在本发明另一实施例 中，所述电容Cl和C2的耐压值均为1000V，可以适用于摩擦发电机的高压输出，同时为了保 证好的滤波效果，两个电容Cl和C2的容量大小不同，最好相差较大，其中，大容量电容的容 量大于1 μ F，主要用于滤除低频干扰信号，小容量电容的容量小于InF，主要用于滤除高频 信号，且大容量电容的容量与小容量电容的容量之比> 1000,比如大容量电容可以选择型 号为1000V/10yF的电容，小容量电容可以选择型号为1000V/0. InF的电容。
[0038] 所述整流模块输出的直流电信号经过所述滤波模块的滤波处理后，得到相对比较 平滑的电信号，以便于位于后级的第一能量储存模块对其进行能量收集。
[0039] 在本发明一实施例中，所述第一能量储存模块包括至少一个储能电容C3,其中，所 述储能电容C3为耐高压超大容量漏电流小功耗低的电容，具体地，所述储能电容C3的耐受 电压彡500V，优选为彡1000V ;电容量彡500yF，优选为彡IOOOyF,比如可以选用型号为 1000V/680 μ F的电容；漏电流小于10 μ A(大部分摩擦发电机的输出电流为几十μ A);功 耗小于10 μ W(大部分摩擦发电机的瞬时功率为几十μ W)。其中，储能电容C3超大容量的选 择是出于其驱动能力的考虑，摩擦发电机能量收集的一个核心难点就是能量收集模块的能 量收集效率偏低，这样就会导致单位时间内所能获得的电能尚不足以驱动低功耗甚至超低 功耗的用电设备，而后方的控制模块以及能量管理模块均需要一定的电能才能被驱动，因 此，能量收集模块必须要运用大容量的电容进行初级能量储存，才能够积累到足够的电能， 继而才可以驱动后续的用电模块，也就是说，只有储能电容的容量足够大，才能保证足够的 储电能力，进而保证能够有效地驱动后续模块工作；储能电容C3耐高压的选择是出于对于 摩擦发电机高压输出的考虑；考虑到能量管理电路的能量收集效率，储能电容C3还需要具 有漏电流小和损耗小的特点。
[0040] 当然，所述第一能量储存模块也可采用其他能量储存器件，本发明对其不作具体 限定，只要其能够有效收集和储存输入电信号的能量即可。
[0041] 在本发明一实施例中，所述控制模块包括信号控制模块和开关模块，其中：
[0042] 所述信号控制模块用于根据所述第一能量储存模块的电压高低状态向所述开关 模块输出相应的控制信号；
[0043] 所述开关模块用于根据所接收到的控制信号控制所述第一能量储存模块对于后 续模块的供电通断。
[0044] 在本发明一实施例中，所述信号控制模块米用双迟滞比较器芯片ICL7665,所述开 关模块采用开关芯片CD4051，这两种芯片均属于本领域常用的芯片，对于其具体的结构参 数，本发明不再赘述。当然，所述信号控制模块和开关模块也可采用其他控制器件和开关器 件，本发明对其不作具体限定，只要其能够准确控制第一能量储存模块对于后级模块的供 电通断即可。
[0045] 所述控制模块是控制储能电容C3放电或是停止放电继续蓄电的一个关键部分， 如果没有控制模块，储能电容C3上就不能外接任何负载，因为只要接有负载，负载在单位 时间里消耗的电能都将大于第一能量储存模块在单位时间里收集到的电能，具体地，因为 大部分摩擦发电机的瞬时输出功率最高只有几十μ w，倘若将负载直接连接到储能电容C3 的两端，由于负载的消耗功率将会达到HiW级别，这样就会使得储能电容C3实际表现为净放 电。
[0046] 其中，所述信号控制模块向所述开关模块发送的控制信号为高电平信号或低电平 信号，进一步地，所述信号控制模块通过检测储能电容C3两端的电压来选择向所述开关模 块输出高电平信号或者低电平信号，比如，如果所述储能电容C3两端的电压高于一阈值检 测电压，则所述信号控制模块向所述开关模块输出低电平信号；反之，如果所述储能电容 C3两端的电压低于所述阈值检测电压，则所述信号控制模块向所述开关模块输出高电平信 号；具体地，对于双迟滞比较器芯片ICL7665,可通过设置其分压电阻R1，R2,阈值检测电阻 R3的阻值（如图2所示）来设置所述阈值检测电压。在本发明一实施例中，所述阈值检测 电压设为5V，即当所述储能电容C3两端的电压大于5V时，双迟滞比较器芯片ICL7665的输 出端OUTl输出低电平信号，相反地，当所述储能电容C3两端的电压小于5V时，双迟滞比较 器芯片ICL7665的输出端OUTl输出高电平信号。
[0047] 所述开关模块的作用就是通过检测信号控制模块输出的是高电平信号还是低电 平信号来控制自身的通断，比如，如果所述开关模块检测到信号控制模块输出的是低电平 信号，则开关模块导通（对于开关芯片⑶4051来说，即为管脚13和管脚0/1连通）整个能 量管理电路处于通路状态，从而实现所述储能电容C3对于后续模块的供电；相反地，如果 所述开关模块检测到信号控制模块输出的是高电平信号，则开关模块断开，整个能量管理 电路处于开路状态，此时所述储能电容C3只充电不供电。
[0048] 进一步地，所述双迟滞比较器芯片ICL7665和开关芯片⑶4051的启动功率均小于 储能电容C3的输出功率。
[0049] 在本发明一实施例中，所述能量管理模块至少包括断续充电管理芯片。
[0050] 由于绝大部分摩擦发电机的输出为不连续的脉冲电信号而且输出功率很低，储能 电容C3的两端电压达到5V时便开始放电，并且储能电容C3的放电功率比摩擦发电机的输 出功率要大得多，以上因素必然会导致储能电容C3的放电是断断续续的，因此，需要对于 储能电容C3的充放电进行管理。
[0051] 断续充电管理芯片对于其最低工作条件的要求非常苛刻，即必须在工作电压和工 作电流都同时达到要求，并且保证持续给与的情况下，断续充电管理芯片才能正常工作，否 贝1J，断续充电管理芯片不但不能工作，还会将储能电容C3所储存的能量由芯片漏电流消耗 干净，因此本发明选取断续充电管理芯片对于所述储能电容C3的充放电进行管理，即将所 述储能电容C3释放的电能再次储存起来，以保证对于所述第二能量储存模块充电电流的 稳定性。
[0052] CN3153是一种可支持断续充电的单节锂离子电池充电管理芯片，它是专门为利用 输出电流能力有限的输入电压源对单节锂离子电池进行充电管理的芯片，芯片内部的功率 晶体管对芯片内部的电池进行恒流和恒压充电，充电电流可以利用外部电阻编程设定，最 大持续充电电流可达1A，且不需要另外加设阻流二极管和电流检测电阻。当然，所述能量管 理模块也可采用其他充电管理器件，本发明对其不作具体限定，只要其能够保证对于所述 第二能量储存模块充电电流的稳定性即可。
[0053] 进一步地，所述断续充电管理芯片CN3153的启动功率小于储能电容C3的输出功 率。
[0054] 另外，为了保证断续充电管理芯片CN3153能够正常工作，必要的外围分立元件是 必不可少的，如图2所示，电容C4是充电管理芯片电源输入端的旁路电容；为了保证充电管 理芯片CN3153正常工作，需要在断续充电管理芯片CN3153的BAT端（BAT端属于断续充电 管理芯片CN3153的一个引脚，该引脚用于直接为后续能量存储模块充电）到GND之间连接 电阻R6和电容C5 ;同时为了方便观察断续充电管理芯片CN3153的充电情况，分别在断续 充电管理芯片CN3153的充电状态指示端O/似?和充电结束状态指示端连接状态指 示灯，比如一个红色LED和一个绿色LED的状态指示灯，而电阻R4是这两个LED状态指示 灯的限流电阻；与此同时通过调节电阻R5的阻值可以调整断续充电管理芯片CN3153对于 后级第二能量储存模块的充电电压。
[0055] 在本发明一实施例中，所述第二能量储存模块采用可充电锂离子电池，所述可充 电锂离子电池用于储存所述第二能量储存模块输入的电能，并直接对后级的负载进行供 电。相比电容和其他类型的电池，所述可充电锂离子电池具备以下特点：能够稳定储能并 稳定对负载供电，电荷保持能力比电容强很多，能量密度高，无污染，循环寿命高，无记忆效 应，快速充电等等。当然，所述第二能量储存模块也可采用其他能量储存器件，本发明对其 不作具体限定，只要其能够稳定储能并稳定地对于负载供电即可。
[0056] 综上，本发明能量管理电路可以对所有高电压、低电流、低功率脉冲输出电信号进 行调制和能量管理，应用广泛。
[0057] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种能量管理电路，其特征在于，该能量管理电路包括：预处理模块，第一能量储存 模块，控制模块，能量管理模块和第二能量储存模块，其中： 所述预处理模块用于对于输入的电信号进行预处理； 所述第一能量储存模块与所述预处理模块连接，用于对经过预处理的电信号进行能量 收集和储存； 所述控制模块与所述第一能量储存模块连接，用于根据所述第一能量储存模块的状态 控制所述第一能量储存模块对于后级模块的供电通断； 所述能量管理模块与所述控制模块连接，用于调制所述第一能量储存模块释放的电 能，以对所述第二能量储存模块进行稳定充电； 所述第二能量储存模块与所述能量管理模块和负载连接，用于储存所述能量管理模块 输入的电能，以为负载供电。
2. 根据权利要求1所述的能量管理电路，其特征在于，所述预处理模块包括整流模块 和/或滤波模块，其中，所述整流模块为由多个二极管构成的整流桥，所述滤波模块包括两 个并联的电容。
3. 根据权利要求2所述的能量管理电路，其特征在于，所述二极管的反向恢复时间 <电信号的周期。
4. 根据权利要求2所述的能量管理电路，其特征在于，所述滤波模块中的两个电容的 容量不同，其中，大容量电容的容量大于1 U F，小容量电容的容量小于InF，且大容量电容 的容量与小容量电容的容量之比> 1000。
5. 根据权利要求1所述的能量管理电路，其特征在于，所述第一能量储存模块包括至 少一个储能电容，所述储能电容的电容量> 500 iiF，漏电流小于10 iiA，功耗小于10 iiW。
6. 根据权利要求2、4或5所述的能量管理电路，其特征在于，当输入的电信号为高压电 信号时，所述二极管的击穿电压、所述滤波模块中的电容以及所述储能电容的耐受电压均 彡 500V。
7. 根据权利要求5所述的能量管理电路，其特征在于，所述控制模块包括信号控制模 块和开关模块，其中： 所述信号控制模块用于根据所述第一能量储存模块的电压高低状态向所述开关模块 输出相应的控制信号； 所述开关模块用于根据所接收到的控制信号控制所述第一能量储存模块对于后续模 块的供电通断。
8. 根据权利要求7所述的能量管理电路，其特征在于，所述信号控制模块为双迟滞比 较器芯片，所述开关模块为开关芯片，所述双迟滞比较器芯片和开关芯片的启动功率均小 于储能电容的输出功率。
9. 根据权利要求5所述的能量管理电路，其特征在于，所述能量管理模块至少包括断 续充电管理芯片，所述断续充电管理芯片的启动功率小于储能电容的输出功率。
10. 根据权利要求1所述的能量管理电路，其特征在于，所述第二能量储存模块为可充 电锂离子电池。
【文档编号】H02J7/02GK104393658SQ201410655158
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】马嘉豪, 张兆华, 刘雄, 姚言, 任天令 申请人:北京纳米能源与系统研究所