[发明专利]一种无源振动微能量采集与存储管理系统

说明书

技术领域

本发明专利涉及能源技术领域，具体涉及一种无源振动微能量采集与存储管理系统。

背景技术

当今世界，能源短缺问题已经是一个最热门的问题之一。而能量采集技术就是针对当今能源问题而兴起的热门技术，它将环境中闲置能量采集和存储起来作为可用的电能使用。振动微能量由于其分布广泛、绿色污染等优势成为当今能量采集领域的研究热点。人们从振动源中提取出的能量储存在超级电容、可重复充电的芯片兼容型电池中(如薄膜锂离子电池)，并通过调节器电路为传感器负载供电，解决了极端环境下传感器负载能量供应问题，极大提高了工作效率，减小了人力物力损耗。随着新能源技术领域和微机电技术的发展，振动微能量采集与存储管理系统必将逐渐走人们日常生活，具有广阔的市场价值和科研价值。目前市场上已有的振动微能量采集与存储技术存在的主要问题是效率低、最低输入电压较高、功耗高，需要外供电源等。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种无源振动微能量采集与存储管理系统，本发明的工作过程超低功耗、高效率、无需外供电源。

为解决上述技术问题，本发明专利设计了一种无源振动微能量采集与存储管理系统，包括MSMA能量转换模块、升压振荡模块、多级存储模块、AC/DC整流转换模块、电源管理模块；其中，升压振荡模块与MSMA能量转换模块相连，接收采集器输出微电能并进行升压；多级存储模块包括一级存储和二级存储，一级存储前接升压振荡模块后与AC/DC整流模块相连；二级存储前接AC/DC整流模块，后接电源管理模块。

所述的MSMA能量转换模块包括一个MSMA能量采集器，包括MSMA，线圈，永磁体和磁轭；其中，MSMA设置在线圈中心，永磁体设置在线圈上下两端，磁轭设置在永磁体和线圈外部。

所述的升压振荡模块包括一个MOSFET开关，一个升压变压器，一个耦合电容；升压变压器一次侧接MOSFET开关，经耦合电容与变压器二次侧相连，MOSFET 开关、升压变压器、耦合电容形成一谐振升压振荡器，使得输入电压可以低至 20mV。

所述的多级存储模块包括两个低泄漏存储电容，一级存储电容CIN1接MSMA 能量转换模块与升压振荡模块相连，二级存储电容CIN2接AC/DC整流模块与电源管理模块相连。

所述的AC/DC整流转换模块包括四个低压降肖特基二极管，D1、D2、D3、D4 构成桥式整流电路。

所述的电源管理模块包括超低功耗升压转换器BQ25504构成的升压充电模块和可选的储能器件模块(超级电容、锂电池、薄膜锂电池、常规电容等)，通过外围电路中电阻、电感、电容设置实现最大功率点跟踪功能、DC/DC升压充电功能。

所述的MSMA的长为5mm宽为5mm高为20mm。

所述的磁轭材料采用硅钢片，外围尺寸为20cm×15cm×1mm；内围尺寸为10cm×4cm ×1mm。

所述的永磁体采用烧结钕铁硼，尺寸为4cm×5cm×5cm。

本发明的优点是：本发明的设计优势在于超低功耗、高效率、全程无需外供电源设备。采用MSMA能量采集器，将采集电压范围扩宽至20mV启动，超低功耗升压转换器，实现超低功耗高效率电源管理。电源管理设计采用的是BQ25504 智能高度集成芯片进行电能管理。BQ25504可集成动态最大功率点跟踪，用于提取最优能量。输入电压调节，可防止输入源储能损坏，能源可以存储到可再充电的锂离子电池，薄膜电池，超级电容器，或传统的电容器电池里，其冷启动电压为VIN≥330mV(典型值)，集成可编程动态最大功率点跟踪(MPPT)，可编程过温关闭断电等功能。

附图说明

图1一种无源振动微能量采集与存储管理系统结构图

图2 MSMA能量采集器结构图

图3磁通密度矢量局部放大图

图4一种无源振动微能量采集与存储管理系统电路原理图

图5超低功耗升压充电芯片BQ25504系统功能图

图6 BQ25504电源管理充电效率图

图7 BQ25504控制电路使能功能表

图8 BQ25004升压充电模块外围电路设计图

图9 BQ25504升压充电模块封装图

图2中，1为MSMA、2为线圈、3为永磁体、4为磁轭。

表格说明

表1为绕组参数详表

表2为ANSYS模型参数表

表3为阈值参数详表

表4为器件参数详表

具体实施方式