[发明专利]高效能量获取接口和对应能量获取系统

说明书

技术领域

本发明涉及高效能量获取(harvesting)接口和对应的能量获取系统。

背景技术

如已知的，用于从机械或环境能量源中获取(或清除)能量的系统在广泛的技术领域中引起足够的兴趣，诸如在便携式电子设备的领域或汽车领域中。

典型地，能量获取系统被设计为获取、存储由机械或环境源生成的能量并将其传输至一般电子负载，可以向其供应电能或者在电池的情况对其进行充电。因此，这些系统能够制造不用电池操作的电子装置或者在向其提供装置的情况下限制增加电池的持续时间。

对于获取环境能量，可以使用太阳或热电发生器，其分别将太阳能和热能转换为电能。

图1通过功能块示意性示出了已知类型的能量获取系统。

能量获取系统1包括换能器2(例如光电或热电发生器，包括多个单元(已知类型，本文稍后进行详细描述))，其将太阳能或热能转换为电能，通常转换为DC电压或者在任何情况下转换为随时间缓慢变化的电压(相对于电路的电常数)，生成换能信号V_TRANSD。

能量获取系统1还包括获取接口4，其被设计为提供与MPPT(最大功率点跟踪)类型的换能器2耦合的条件，以使得功率的提取最大化。获取接口4被配置为在输入端处接收由换能器2生成的换能信号V_TRANSD并在输出端处提供获取信号VIN_DCDC。

能量获取系统1还包括：存储电容器5，连接至获取接口4的输出端并接收获取信号VIN_DCDC，确定其充电和能量的后续存储；以及DC-DC转换器6，连接至存储电容器5，用于在输入端处接收所存储的电能并在输出端处生成调节信号V_REG，调节信号具有适当的值使其可以被提供给电负载8用于其供应或其充电。

通过以下等式给出能量获取系统1的整体效率：

η_TOT＝η_TRANSD·η_MPPT·η_DCDC

其中，η_TRANSD是换能器2的效率，表示被换能器2有效转换为电能的环境能量的量；η_MPPT是获取接口的效率，表示有效地用于对存储电容器5进行充电的转换电能的量；以及η_DCDC是DC-DC转换器6的效率。

具体地，获取接口4的效率η_MPPT表示在存储电容器5上有效传送的功率与理论上可以提供的最大功率P_MAX的比率。

详细地，通过以下等式给出该效率η_MPPT：

η_MPPT＝η_COUPLE·η_LOSS

其中，η_COUPLE是换能器2和获取接口4之间的耦合因子(表示相同换能器2和获取接口4之间的阻抗匹配)，以及η_LOSS是由于获取接口4的消耗而引起的功率损失。

可以看出，在热电单元的情况下(其可以如图2a所示示意性表示为连接至串联阻抗R_TEG的等效电压发生器V_OC)，在换能信号V_TRANSD具有等于V_OC/2的优化值V_MPPT的情况下最大化效率η_MPPT(即，等于无负载或开路的由对应等效电压发生器提供的电压的一半的值)。

类似地，在光电单元的情况下(可以如图2b所示示意性表示为与二极管D_PV并联连接的等效电流发生器I_PV(在附图中，没有表示发生器的等效串联阻抗))，在换能信号V_TRANSD具有包括在0.75·V_oc和0.9·V_oc之间(例如等于0.8·V_oc)的优化值的情况下最大化效率η_MPPT(根据光电单元的构造参数及其制造材料)，其中V_OC也是由光电单元提供的开路电压。

从而，要求以以下方式来配置能量获取系统1的获取接口4：换能器2在确保最大效率的前述条件的工作点或该工作点附近进行操作。

为此，已经提出了宽范围的电路结构用于提供获取接口4。