[发明专利]热释电/压电能量收集器及其集成系统

权利要求书

1.一种热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：包括热释电/压电能量收集器(A)、电源管理及储能单元(B)、振动监测及温度检测单元(C)以及基于低功耗微控制器的控制系统(D)；

所述热释电/压电能量收集器用于实时输出振动状态、温差变化相关参量；用于固定在振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及处于变化的温度场中，以实现振动状态、温差变化的输出以及振动能量、温差能量的收集；

所述电源管理及储能单元用于程控升压控制收集随振动/温度改变得到的交流电信号，优化低压交流电压管理；用于AC-DC、DC-DC电压变换；用于实现从低电流、断续或者连续电能对中间储能单元充电；用于将热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生的电压，输出稳定的直流3.3V电压；

所述振动监测及温度检测单元，用于监测振动状态、温差变化，便于微控制器优化控制程控升压；

所述基于低功耗微控制器的控制系统，在低流耗的电源系统可编程定时器控制下降低系统待机功耗，并可程控控制升压电路、能量管理单元以及电源输出电路，以实现能量的收集、管理以及电源输出控制。

2.根据权利要求1所述的热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：所述热释电/压电能量收集器，包括支架基座(6)、热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器(3)、薄膜型热敏电阻(4)、振动敏感元件(2)、悬臂梁(5)以及质量块(1)；

所述支架基座，用于将热释电/压电能量收集器固定在振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及用于热释电/压电能量收集器与振动/发热装置之间的热传导；

所述热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器按一定串、并联结构在悬臂梁振动状态下/环境中存在温度梯度和热流情况下产生电荷；

所述薄膜型热敏电阻，粘贴在悬臂梁与热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器之间，用于检测温度及温度变化；

所述振动敏感元件，粘贴在热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器与质量块之间，用于监测振动状态；

所述悬臂梁，一端连接支架基座，外界振动从基座传递到悬臂梁上，使得悬臂梁振动，产生弯曲变形，该变形使粘贴在悬臂梁上的热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器感受到并随之产生压电效应，将振动能量转换为电能；随着悬臂梁的振动，使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器表面的温度场发生改变，该变化的温度场使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生热释电效应，将温差能量转换为电能；

所述质量块，安装在悬臂梁末端，起调节振动频率及提高能量转换能力作用。

3.根据权利要求1所述的热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：所述电源管理及储能单元包括程控升压电路(10)、电源管理单元电路(11)、中间储能单元电路(12)；

所述程控升压电路，用于实现经热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器转换后的电信号进行放大；所述电源管理单元电路，即对收集的不稳定的电信号转化为恒定的直流电压输出；用于将收集的能量存储到中间储能单元；

所述中间储能单元电路，用于实现从低电流、断续或连续电能对锂离子/锂聚合物电池充电；用于监测电池发热量。

4.根据权利要求1所述的热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：所述振动监测及温度检测单元包括振动判别电路(7)、桥式温敏电路(8)及前置放大电路(9)；

所述振动判别电路，用于检测振动敏感元件导通/断开状态，对振动状态进行判别；

所述桥式温敏电路及前置放大电路，用于检测温度变化，并放大信号。

5.根据权利要求4所述的热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：所述基于低功耗微控制器的控制系统包括微能量收集控制模块和可控电源输出电路(15)，所述微能量收集控制模块，用于实现程控升压电路控制，即通过对振动状态的判别、温差的检测，控制输出一定PFM信号，以实现能量高效收集，用于实现对电源管理单元控制，程控输出特定的恒定直流电压；

所述可控电源输出电路，在微控制器控制下，用于在带负载的情况下延迟控制电源输出。

6.根据权利要求5所述的热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：所述微能量收集控制模块包括微控制器(13)、可编程定时器电路(14)、温度采集及处理模块(16)、振动监测判别模块(17)、可控电源输出模块(18)和睡眠唤醒控制模块(19)；

所述微控制器，用于实现微能量收集控制模块、温度采集及处理模块、可控电源输出模块、睡眠唤醒控制模块的控制，以实现微弱能量的最佳收集、管理以及电源输出控制；

所述可控电源输出模块，用于在带负载的情况下延迟控制电源输出；

所述温度采集及处理模块，用于实现温度信号采集，即通过微控制器内部集成的ADC采集经桥式温敏电路及前置放大电路检测的温度信号，并计算出温差变化，依据温差变化估算热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器收集温差能量转化的电信号大小；

所述可控电源输出模块，用于产生在带负载的情况下延迟电源输出控制信号；

所述睡眠唤醒控制模块，用于唤醒休眠状态下的微控制器，以实现集成系统收集能量；

所述振动监测判别模块，用于检测振动敏感元件输出的振动状态信号。