本發(fā)明涉及自動(dòng)化控制領(lǐng)域，尤其涉及一種集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集方法。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)期以來(lái)，利用環(huán)境中的機(jī)械能被認(rèn)為是關(guān)鍵的研究課題，近年來(lái)，基于摩擦生電和靜電感應(yīng)出現(xiàn)的摩擦電納米發(fā)電機(jī)在機(jī)械能量收集方面是很有前景的技術(shù)，特別是在便攜式電子設(shè)備和自供電元件上。類(lèi)似于cmos集成電路和系統(tǒng)的發(fā)展，完全集成的能量收集系統(tǒng)包括摩擦電納米發(fā)電機(jī)、電源管理電路、信號(hào)處理電路、能量?jī)?chǔ)存元件和負(fù)載電路，這些對(duì)于摩擦電納米發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用都至關(guān)重要。理論仿真對(duì)于分析理解摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作機(jī)制和輸出性能有十分重要的作用，這為未來(lái)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)鋪平了道路。然而，先前的研究只關(guān)注與摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)本身或者是帶有線(xiàn)性電阻負(fù)載電路，在實(shí)際應(yīng)用中，具有任意數(shù)量的線(xiàn)性或者非線(xiàn)性元件不可能通過(guò)之前的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明中，推出了摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效模型，以便加深對(duì)其的認(rèn)識(shí)并且輔助其仿真過(guò)程，搭載了負(fù)載調(diào)節(jié)電路，通過(guò)改變負(fù)載調(diào)節(jié)電路功率開(kāi)關(guān)的占空比，調(diào)節(jié)電路的輸出功率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，特別創(chuàng)新地提出了一種集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集方法。

在本發(fā)明中，一種集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集方法，包括：步驟1，建立摩擦電納米發(fā)電機(jī)的等效電路模型；步驟2，改變負(fù)載電阻和電容，分析摩擦電納米發(fā)電機(jī)搭載電源管理電路時(shí)輸出功率的變化；步驟3，通過(guò)改變負(fù)載調(diào)節(jié)電路功率開(kāi)關(guān)占空比與負(fù)載電阻大小，調(diào)節(jié)電路的輸出功率。

所述的集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集方法，所述等效電路模型包括：

摩擦電納米發(fā)電機(jī)的等效電路模型可以從其控制方程中給出，式中的cteng

和voc可以由等效電路模型中的兩個(gè)電路元件表示，第一個(gè)是電容項(xiàng)，它來(lái)源于兩個(gè)電極之間的電容，可以用電容(cteng)來(lái)表示。另一個(gè)是開(kāi)路電壓項(xiàng)，其來(lái)源于極化摩擦電荷的分離，并且可以由理想電壓源(voc)表示。結(jié)合這兩個(gè)元件，整個(gè)等效電路模型可以由理想電壓源和電容器的串聯(lián)連接來(lái)表示。

從該等效電路模型中，cteng和負(fù)載電阻間的阻抗匹配是固有的。摩擦電納米發(fā)電機(jī)的固有電容會(huì)指出交流電壓源voc的阻抗。任何會(huì)增加該固有電容的結(jié)構(gòu)參數(shù)將降低該阻抗，從而降低匹配電阻。提高運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)于增加交流電壓源voc的頻率，因此匹配的電阻也將降低。cteng的阻抗與摩擦電荷密度是相互獨(dú)立的，匹配的負(fù)載電阻也不受摩擦電荷密度的影響。

所述的集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集方法，所述步驟2包括：

搭載電阻器的平行板接觸式摩擦電納米發(fā)電機(jī)，該摩擦電納米發(fā)電機(jī)的頂板設(shè)置為如下所述的簡(jiǎn)諧諧振模式移動(dòng)，結(jié)合摩擦電納米發(fā)電機(jī)和電阻器的整

個(gè)系統(tǒng)的控制方程為：

由于固有的電容特性，摩擦電納米發(fā)電機(jī)只能提供不穩(wěn)定的交流電壓/電流輸出。電源管理系統(tǒng)中包括二極管橋式整流器，所述二極管橋式整流器一端接濾波電容一端，所述二極管橋式整流器另一端接濾波電容另一端，所述負(fù)載電阻一端接濾波電容一端，所述負(fù)載電阻另一端接濾波電容另一端。

其輸出的周期性電壓信號(hào)是穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)，含有直流分量vdc和紋波分量，輸出的直流分量取決于負(fù)載電阻，vdc幾乎與濾波電容無(wú)關(guān)，當(dāng)rl較小時(shí)，直流分量隨著rl的增加而迅速增加。當(dāng)rl足夠大時(shí)，直流分量vdc達(dá)到飽和，存在最佳負(fù)載電阻，此時(shí)所傳遞的能量達(dá)到最大。輸出的紋波系數(shù)由負(fù)載電阻和濾波電容的乘積決定，增加其中任何一個(gè)可以減小紋波因數(shù)，但是大電容將導(dǎo)致更長(zhǎng)的過(guò)渡狀態(tài)。

所述的集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集方法，其特征在于，所述步驟3包括：

所述集成摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)搭載負(fù)載調(diào)節(jié)電路，包括電壓源、第一整流器、第一電容、第二電容、第一功率開(kāi)關(guān)管、第二功率開(kāi)關(guān)管、第一電感、第一電阻。

所述第一整流器輸入一端接第一電容一端，所述第一電容另一端接電壓源正極，所述第一整流器輸入另一端接電壓源負(fù)極，所述第一整流器輸出正極接第一電容一端，所述第二電容一端接第一功率開(kāi)關(guān)管漏極，所述第一功率開(kāi)關(guān)管源極接第二功率開(kāi)關(guān)管漏極，所述第二功率開(kāi)關(guān)管漏極還接第一電感一端，所述第一電感另一端接第一電阻一端，所述第一電阻另一端接第二功率開(kāi)關(guān)管源極，所述第二功率開(kāi)關(guān)管源極還接第二電容另一端，所述第二電容另一端還接第一整流器輸出負(fù)極。

所述電路采用的是平行板接觸式摩擦電納米發(fā)電機(jī)，固定不同的負(fù)載電阻，改變功率開(kāi)關(guān)管的占空比，仿真結(jié)果得出，在固定的負(fù)載電阻下，改變功率開(kāi)關(guān)管的占空比可以改變電路的輸出功率，且可以找到輸出能量最大的最佳電阻值。

所述摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用的是平行板接觸式摩擦電納米發(fā)電機(jī)，搭載負(fù)載調(diào)節(jié)電路，固定不同的負(fù)載電阻，改變功率開(kāi)關(guān)管的占空比，仿真結(jié)果得出，在固定的負(fù)載電阻下，改變功率開(kāi)關(guān)管的占空比可以改變電路的輸出功率，且可以找到輸出能量最大的最佳電阻值。

上述技術(shù)方案的有益效果為：

推出了摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效模型，便于加深對(duì)摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并且輔助其仿真過(guò)程。

通過(guò)改變負(fù)載調(diào)節(jié)電路功率開(kāi)關(guān)的占空比，可以調(diào)節(jié)電路的輸出功率。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明一種集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集電路圖；

圖2為本發(fā)明摩擦電納米發(fā)電機(jī)搭載負(fù)載調(diào)節(jié)電路，改變負(fù)載電阻和占空比，平均輸出功率變化曲線(xiàn)；

圖3是本發(fā)明摩擦電納米發(fā)電機(jī)等效電路模型；

圖4是本發(fā)明典型的摩擦電納米發(fā)電機(jī)電源管理電路；

圖5為本發(fā)明具有電源管理電路的摩擦電納米發(fā)電機(jī)，改變負(fù)載電阻和濾波電容，平均輸出功率變化曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。

本發(fā)明提出了一種集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集方法，建立了摩擦電納米發(fā)電機(jī)的等效電路模型，改變負(fù)載電阻和電容，分析摩擦電納米發(fā)電機(jī)搭載電源管理電路時(shí)輸出功率的變化，通過(guò)改變負(fù)載調(diào)節(jié)電路功率開(kāi)關(guān)占空比與負(fù)載電阻大小，調(diào)節(jié)電路的輸出功率。

圖1為一種集成的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能量采集電路圖，其關(guān)鍵在于，包括：電壓源、第一整流器、第一電容、第二電容、第一功率開(kāi)關(guān)管、第二功率開(kāi)關(guān)管、第一電感、第一電阻。

所述第一整流器輸入一端接第一電容一端，所述第一電容另一端接電壓源正極，所述第一整流器輸入另一端接電壓源負(fù)極，所述第一整流器輸出正極接第一電容一端，所述第二電容一端接第一功率開(kāi)關(guān)管漏極，所述第一功率開(kāi)關(guān)管源極接第二功率開(kāi)關(guān)管漏極，所述第二功率開(kāi)關(guān)管漏極還接第一電感一端，所述第一電感另一端接第一電阻一端，所述第一電阻另一端接第二功率開(kāi)關(guān)管源極，所述第二功率開(kāi)關(guān)管源極還接第二電容另一端，所述第二電容另一端還接第一整流器輸出負(fù)極。

所述電路采用的是平行板接觸式摩擦電納米發(fā)電機(jī)，固定不同的負(fù)載電阻，改變功率開(kāi)關(guān)管的占空比，仿真結(jié)果可以得出，在固定的負(fù)載電阻下，通過(guò)改變負(fù)載調(diào)節(jié)電路功率開(kāi)關(guān)占空比與負(fù)載電阻大小，可以調(diào)節(jié)電路的功率輸出，且找到輸出能量最大的最佳電阻值，如圖2所示。

圖2為摩擦電納米發(fā)電機(jī)搭載負(fù)載調(diào)節(jié)電路，改變負(fù)載電阻和占空比，平均輸出功率變化曲線(xiàn)。

改變負(fù)載調(diào)節(jié)電路的占空比從20％～80％，固定負(fù)載電阻分別為100千歐、1兆歐、10兆歐、100兆歐，仿真驗(yàn)證得在負(fù)載電阻為10兆歐時(shí)為最佳電阻，平均輸出功率最大，平均輸出功率隨著負(fù)載調(diào)節(jié)電路功率開(kāi)關(guān)占空比的增加而增加。

圖3為本發(fā)明摩擦電納米發(fā)電機(jī)等效電路模型，摩擦電納米發(fā)電機(jī)的等效電路模型可以從其控制方程中給出，式中的cteng

和voc可以由等效電路模型中的兩個(gè)電路元件表示，第一個(gè)是電容項(xiàng)，它來(lái)源于兩個(gè)電極之間的電容，可以用電容(cteng)來(lái)表示。另一個(gè)是開(kāi)路電壓項(xiàng)，其來(lái)源于極化摩擦電荷的分離，并且可以由理想電壓源(voc)表示。結(jié)合這兩個(gè)元件，整個(gè)等效電路模型可以由理想電壓源和電容器的串聯(lián)連接來(lái)表示。

從該等效電路模型中，cteng和負(fù)載電阻間的阻抗匹配是固有的。摩擦電納米發(fā)電機(jī)的固有電容會(huì)指出交流電壓源voc的阻抗。任何會(huì)增加該固有電容的結(jié)構(gòu)參數(shù)將降低該阻抗，從而降低匹配電阻。提高運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)于增加交流電壓源voc的頻率，因此匹配的電阻也將降低。cteng的阻抗與摩擦電荷密度是相互獨(dú)立的，匹配的負(fù)載電阻也不受摩擦電荷密度的影響。

圖4為本發(fā)明典型的摩擦電納米發(fā)電機(jī)電源管理電路；搭載電阻器的平行板接觸式摩擦電納米發(fā)電機(jī)，該摩擦電納米發(fā)電機(jī)的頂板設(shè)置為如下所述的簡(jiǎn)諧諧振模式移動(dòng)，結(jié)合摩擦電納米發(fā)電機(jī)和電阻器的整

個(gè)系統(tǒng)的控制方程為：

由于固有的電容特性，摩擦電納米發(fā)電機(jī)只能提供不穩(wěn)定的交流電壓/電流輸出。電源管理系統(tǒng)中包括二極管橋式整流器，所述二極管橋式整流器一端接濾波電容一端，所述二極管橋式整流器另一端接濾波電容另一端，所述負(fù)載電阻一端接濾波電容一端，所述負(fù)載電阻另一端接濾波電容另一端。

其輸出的周期性電壓信號(hào)是穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)，含有直流分量vdc和紋波分量，輸出的直流分量取決于負(fù)載電阻，vdc幾乎與濾波電容無(wú)關(guān)，當(dāng)rl較小時(shí)，直流分量隨著rl的增加而迅速增加。當(dāng)rl足夠大時(shí)，直流分量vdc達(dá)到飽和，存在最佳負(fù)載電阻，此時(shí)所傳遞的能量達(dá)到最大。輸出的紋波系數(shù)由負(fù)載電阻和濾波電容的乘積決定，增加其中任何一個(gè)可以減小紋波因數(shù)，但是大電容將導(dǎo)致更長(zhǎng)的過(guò)渡狀態(tài)，其平均輸出功率變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5為本發(fā)明具有電源管理電路的摩擦電納米發(fā)電機(jī)，改變負(fù)載電阻和濾波電容，平均輸出功率變化曲線(xiàn)。

上述技術(shù)方案的有益效果為：

推出了摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效模型，便于加深對(duì)摩擦電納米發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并且輔助其仿真過(guò)程。

通過(guò)改變負(fù)載調(diào)節(jié)電路功率開(kāi)關(guān)的占空比，可以調(diào)節(jié)電路的輸出功率。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。