一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路

本发明涉及压电能量收集，具体涉及一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路。

背景技术：

1、随着物联网技术和无线传感器网络的发展，传统电池为主的供电方式存在寿命短、维护难度大、成本高等问题。压电能量收集技术因其具有长寿命、免维护、批量化成本低等优点引起广泛关注。压电能量收集器是将环境中的振动能转换为电能，其输出为交流电，因此需要电源管理电路将交流电转换为直流电为负载供能。而接口电路是电源管理电路中至关重要的部分。

2、由于单个压电能量收集器收集能量存在工作频带窄、提供的能量较低有时不足以驱动负载、不适应环境变化等问题，因此可以将多个压电元件并联同时进行能量捕获。但传统阵列电路的多路输出相位差会影响整体电路的能量提取，因此如何实现多通道并行同步的最大能量提取，是保证压电能量收集器高效电源管理的关键。专利压电能量收集l202021462048.1提出通过共用电感来同时捕获多个压电片中的能量，但电路输出功率高度依赖负载、输出相位差大、能量转换效率有待进一步提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，解决了现有技术电路输出功率高度依赖负载，输出相位差的问题，并能够使电路的输出能量最大化。

2、为了达到上述目的，提供了一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，包括：

3、若干个并联设置的压电元件，所述压电元件的一端连接负载同一端部，另一端接地；

4、所述压电元件与负载端部之间串联有一级二极管；

5、所述压电元件并联有第一检测开关电路，所述第一检测开关电路包括串联的第一检测开关和第一分裂电感；

6、所述负载两端之间并联有第一分裂电容和第二分裂电容，所述第一分裂电容和第二分裂电容中间的连接端均接地；

7、所述一级二极管串联有第二检测开关电路，且与第一分裂电容和第二分裂电容构成回路，所述第二检测开关电路包括串联的第二检测开关、二级二极管和第二分裂电感。

8、进一步，所述第一检测开关和第二检测开关均采用自适应开关。

9、进一步，所述自适应开关包括若干三极管开关，其一三极管开关的集电极连接其他三极管开关的基极。

10、进一步，所述一级二极管和二级二极管在回路上的导通方向相同。

11、进一步，多个压电元件对应的第一检测开关电路共用一个第一分裂电感，多个压电元件对应的第二检测开关电路共用一个第二分裂电感。

12、原理及优点：

13、1、采用多个压电元件并联，电路可以同时采集不同频率、不同相位的振动源。

14、2、电路中的开关用三极管替换，不需要外接电源来控制三极管的导通，实现了自供电的功能，减小了功耗。

15、3、采用分裂电感，一个电感用作电压翻转，一个电感用作电荷提取，避免了能量回流，解决了不同路的输出相位差问题，提高了能量转换效率，既提高了输出电压又减小了输出功率对负载的依赖性。

16、4、能量采集过程在一个周期内主要分为两个阶段：第一个阶段是并联电感同步开关控制阶段，随着压电元件的运动，压电元件两端的电压从零开始增加，直到达到电压极值点，此时第一检测开关闭合，压电元件与第一分裂电感形成一个lc谐振回路，经过1/2个lc谐振周期后，断开第一检测开关，压电元件两端的电压极性进行了翻转；第二个阶段是电荷提取阶段，压电元件两端电压极性翻转后，电压进行反向增大直到达到极值点，此时第二检测开关闭合，第二分裂电感l2进行电荷提取，经过1/4个lc谐振周期，断开第二检测开关，电感续流，将电感上的能量转移到负载端，完成能量采集过程。

技术特征：

1.一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，其特征在于：所述第一检测开关和第二检测开关均采用自适应开关。

3.根据权利要求2所述的一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，其特征在于：所述自适应开关包括若干三极管开关，其一三极管开关的集电极连接其他三极管开关的基极。

4.根据权利要求1所述的一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，其特征在于：所述一级二极管和二级二极管在回路上的导通方向相同。

5.根据权利要求4所述的一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，其特征在于：多个压电元件对应的第一检测开关电路共用一个第一分裂电感，多个压电元件对应的第二检测开关电路共用一个第二分裂电感。

技术总结
本发明涉及压电能量收集技术领域，具体涉及一种基于并联同步电感和电荷提取的阵列能量收集电路，包括：若干个并联设置的压电元件，所述压电元件的一端连接负载同一端部，另一端接地；所述压电元件与负载端部之间串联有一级二极管；所述压电元件并联有第一检测开关电路，包括串联的第一检测开关和第一分裂电感；所述负载两端之间并联有第一分裂电容和第二分裂电容，且中间的连接端均接地；所述一级二极管串联有第二检测开关电路，且与第一分裂电容和第二分裂电容构成回路，第二检测开关电路包括串联的第二检测开关、二级二极管和第二分裂电感。本发明解决了现有技术电路输出功率高度依赖负载，输出相位差的问题，并能够使电路的输出能量最大化。

技术研发人员：牟笑静,张诗琪,周美彤,王发扬,吴鹏凡
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16