本發(fā)明屬于能量收集系統(tǒng)的，具體涉及一種壓電式振動能量收集裝置的能量控制系統(tǒng)及能量收集方法。

背景技術(shù)：

1、壓電能量采集系統(tǒng)可以將環(huán)境中的機械振動能量轉(zhuǎn)化為電能，但往往很難在動態(tài)變化的環(huán)境中有效地管理和利用這些能量，這是因為傳統(tǒng)的壓電能量采集系統(tǒng)只能在共振頻率附近獲得高輸出功率，而實際環(huán)境激勵普遍存在多方向、寬頻帶及低頻非線性等特性，導致了傳統(tǒng)壓電能量收集系統(tǒng)在能量收集方面普遍效率不高。

2、目前主流的提高壓電能量采集系統(tǒng)收集效率的方法主要集中在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和電路的優(yōu)化設(shè)計方面，通過引入非線性剛度型結(jié)構(gòu)令系統(tǒng)呈現(xiàn)出多穩(wěn)態(tài)的特性，實現(xiàn)了低頻寬帶振動能量俘獲。但是非線性系統(tǒng)存在的多解區(qū)也使得系統(tǒng)的高能阱間運動變難、寬頻優(yōu)勢難以有效利用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種壓電式振動能量收集裝置的能量控制系統(tǒng)及能量收集方法，目的在于，該系統(tǒng)在具備壓電能量采集和能量存儲功能的同時，還具備能量注入功能，使得系統(tǒng)在多解區(qū)中實現(xiàn)高能軌道運動，并輸出大幅值電壓，得到較高的輸出功率，從而最大限度地提高系統(tǒng)收集效率和能源利用率。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

3、壓電式振動能量收集裝置的能量控制系統(tǒng)，包括能量采集模塊、能量存儲模塊、能量注入模塊和單片機，所述能量采集模塊的輸入端分別連接能量注入模塊和外界激勵，輸出端連接能量存儲模塊，能量注入模塊與能量采集模塊之間設(shè)置有第一開關(guān)s1，能量存儲模塊和能量注入模塊之間設(shè)置有第二開關(guān)s2，能量采集模塊、能量存儲模塊、第一開關(guān)s1和第二開關(guān)s2分別連接單片機，所述單片機為第一芯片u1，型號為新唐ml51fb9ae低功耗微控制器。

4、進一步地，所述能量采集模塊包括壓電振子、彈性基層和雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所述壓電振子連接單片機，且安裝在彈性基層上，雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括第一磁塊、第二磁塊、第三磁塊和第四磁塊，第一磁塊安裝在彈性基層底端，且位于壓電振子的下方，第二磁塊、第三磁塊和第四磁塊安裝在第一磁塊下方。

5、進一步地，所述能量存儲模塊包括收集電路模塊和電源模塊，收集電路模塊包括同步電荷提取電路模塊和鎖相環(huán)控制模塊，同步電荷提取電路模塊通過第二nmos管q2與鎖相環(huán)控制模塊連接，同步電荷提取電路模塊連接電源模塊，且電源模塊與同步電荷提取電路模塊之間設(shè)有第三開關(guān)s3，第二nmos管q2、電源模塊和第三開關(guān)s3分別連接單片機。

6、進一步地，所述能量注入模塊包括sx1308升壓模塊、第七芯片u7、第六nmos管q6、第七電阻r7、第十三電阻r13、第六電阻r6、第七nmos管q7和光耦合器g1，所述第七芯片u7為運算放大器，型號為op777，sx1308升壓模塊的vin引腳連接第七nmos管q7的輸出端，第七nmos管q7的輸入端連接能量存儲模塊，第七nmos管q7的控制端連接有第六網(wǎng)絡(luò)端口p6，sx1308升壓模塊的vout引腳連接第七芯片u7的vcc引腳，第七芯片u7的vcc引腳與sx1308升壓模塊的vout引腳之間連接有第十八電容c18，第七芯片u7的vout引腳分別連接第七電阻r7和第十三電阻r13一端，第七電阻r7另一端連接第六電阻r6一端，第七芯片u7的-in引腳連接在第六電阻r6與第七電阻r7之間，第六nmos管q6的輸出端連接第六電阻r6另一端并接地，第十三電阻r13另一端連接光耦合器g1的5引腳，第七芯片u7的+in引腳連接在光耦合器g1的5引腳與第十三電阻r13之間，光耦合器g1的4引腳連接能量采集模塊，第六nmos管q6的輸入端連接能量存儲模塊，第六nmos管q6的控制端通過第十七網(wǎng)絡(luò)端口p17與光耦合器g1的1引腳連接，光耦合器g1的2引腳接地。

7、進一步地，所述同步電荷提取電路模塊包括pllcontrol網(wǎng)絡(luò)端口、vin網(wǎng)絡(luò)端口、電池+網(wǎng)絡(luò)端口、第八網(wǎng)絡(luò)端口p8、第九網(wǎng)絡(luò)端口p9、第十四網(wǎng)絡(luò)端口p14、第二十八電容c28、第二十七電容c27、第一電阻r1、第二電阻r2、第四十一電阻r41、第四十二電阻r42、第四十三電阻r43、第四十四電阻r44、第四二極管d4、第五二極管d5、第六二極管d6、第一電感l(wèi)1、第二nmos管q2、第三nmos管q3、第九nmos管q9、第十四網(wǎng)絡(luò)端口p14、第十五網(wǎng)絡(luò)端口p15和第十六網(wǎng)絡(luò)端口p16，所述能量采集模塊通過整流橋分別連接第一電阻r1和第二電阻r2一端，第一電阻r1另一端連接第二電阻r2另一端，第八網(wǎng)絡(luò)端口p8連接在第一電阻r1與第二電阻r2之間，第一電感l(wèi)1一端分別連接第一電阻r1、第三nmos管q3輸出端和第五二極管d5一端，第三nmos管q3控制端連接第十六網(wǎng)絡(luò)端口p16，第三nmos管q3輸入端分別連接第九nmos管q9輸入端、第四十三電阻r43一端和第二十七電容c27一端，第九nmos管q9控制端連接第十五網(wǎng)絡(luò)端口p15，第九nmos管q9輸出端連接第六二極管d6一端，第六二極管d6另一端連接電池+網(wǎng)絡(luò)端口，第四十三電阻r43另一端第四十四電阻r44一端，第四十四電阻r44另一端接地，第四十三電阻r43和第四十四電阻r44之間連接有第十一網(wǎng)絡(luò)端口p11，第二十七電容c27另一端分別接地和連接第四二極管d4一端，第四二極管d4另一端連接在第一電感l(wèi)1與第二nmos管q2之間，第五二極管d5連接第二十八電容c28一端，第二十八電容c28另一端連接第二十七電容c27，vin網(wǎng)絡(luò)端口連接在第五二極管d5與第二十八電容c28之間，第四十一電阻r41一端連接vin網(wǎng)絡(luò)端口，另一端連接第四十二電阻r42一端，第四十二電阻r42另一端接地，第九網(wǎng)絡(luò)端口p9連接在第四十一電阻r41與第四十二電阻r42之間，第一電感l(wèi)1另一端連接第二nmos管q2輸入端，第二nmos管q2輸出端連接第二電阻r2，第二nmos管q2控制端分別連接pllcontrol網(wǎng)絡(luò)端口和第十四網(wǎng)絡(luò)端口p14。

8、進一步地，所述鎖相環(huán)控制模塊包括第二芯片u2、第三芯片u3、第八芯片u8、線性光耦g2、第九電容c9、第十七電容c17、第十八電容c18、第十九電容c19、第二十電容c20、第二十一電容c21、第二十二電容c22、第二十三電容c23、第八電阻r8、第九電阻r9、第十電阻r10、第十一電阻r11、第十二電阻r12、第十三電阻r13、第十四電阻r14、第十六電阻r16、第十七電阻r17、第十八電阻r18、第十九電阻r19、第二十電阻r20、第二十一電阻r21、第三十一電阻r31、第三十二電阻r32、第三十三電阻r33、第三二極管d3、第四二極管d4和第八三極管q8，所述第二芯片u2為雙路d型上升沿觸發(fā)器，第三芯片u3為六路施密特觸發(fā)反相器，第八芯片u8為四路低功耗運算放大器，第十七電阻r17和第三十二電阻r32一端分別連接電源，第三十二電阻r32另一端連接第三十三電阻r33一端，第三十三電阻r33另一端接地，第十七電阻r17另一端分別連接第二十二電容c22一端，第八芯片u8的5引腳連接在第十七電阻r17與第二十二電容c22之間，第二十二電容c22另一端連接第十八電阻r18一端，第十八電阻r18另一端連接第二十一電阻r21一端，第八芯片u8的7引腳連接在第十八電阻r18與第二十一電阻r21之間，第二十一電阻r21另一端連接第二十電阻r20一端，第三二極管d3和第四二極管d4分別并聯(lián)在第二十電阻r20兩端，第八芯片u8的6引腳連接第三二極管d3的輸入端，第二十電阻r20另一端連接第十九電阻r19一端，第十九電阻r19另一端連接第二十二電容c22一端，第二十二電容c22另一端連接第三十一電阻r31的3引腳，第三十一電阻r31的2引腳接地，第三十一電阻r31的1引腳連接第八三極管q8的輸出端，第八三極管q8的輸入端連接線性光耦g2的1引腳，線性光耦g2的2引腳連接在第十七電阻r17與第三十二電阻r32之間，線性光耦g2的3引腳連接第十七電阻r17與第八芯片u8的5引腳之間，線性光耦g2的4引腳連接第十六電阻r16一端，第十六電阻r16另一端連接在第二十二電容c22與第三十一電阻r31的2引腳之間，第二十一電容c21與線性光耦g2的3引腳和第十六電阻r16并聯(lián)，第八三極管q8的控制端連接在第三十二電阻r32和第三十三電阻r33之間，第十二電阻r12一端連接第八三極管q8的控制端，另一端連接第八芯片u8的1引腳，第十九電容c19一端連接在第十二電阻r12和第八三極管q8的控制端之間，另一端分別連接第十三電阻r13和第二十電容c20一端，第十三電阻r13和第二十電容c20另一端串聯(lián)后接地，第十七電容c17一端連接在第十二電阻r12另一端和第八芯片u8的1引腳之間，第十七電容c17另一端連接第十電阻r10一端，第十電阻r10另一端分別連接第八電阻r8一端，第八芯片u8的3引腳連接在第十電阻r10與第八電阻r8之間，第八電阻r8另一端連接第二芯片u2的5引腳，第八芯片u8的2引腳連接第十一電阻r11一端，第十一電阻r11另一端連接第十八電容c18一端，第十八電容c18另一端接地，第九電阻r9一端連接在第八芯片u8的2引腳與第十一電阻r11之間，第九電阻r9另一端接地，第八芯片u8的o7引腳和第八芯片u8的9引腳之間連接第二十三電阻r23一端，第二十三電阻r23另一端連接第二十三電容c23一端，第八芯片u8的10引腳連接在第二十三電阻r23和第二十三電容c23之間，第二十三電容c23另一端接地，第八芯片u8的8引腳連接第十四電阻r14一端，第十四電阻r14另一端分別連接第三芯片的5引腳和第九電容c9一端，第九電容c9另一端接地。

9、進一步地，所述鎖相環(huán)控制模塊還包括第四芯片u4、第五芯片u5和第六芯片u6和第四三極管q4，所述第四芯片u4和第五芯片u5均為單通道的與門，型號為nl17sz08dft2g，第六芯片u6為雙路d型上升沿觸發(fā)器，型號為sn74hcs74，第四芯片u4的1引腳連接第二芯片u2的9引腳，第四芯片u4的2引腳連接第二芯片u2的5引腳，第四芯片u4的4引腳連接第三芯片u3的1引腳，第五芯片u5的1引腳連接第八芯片u8的8引腳，第五芯片u5的2引腳連接第三芯片u3的6引腳，第六芯片的3引腳連接第八芯片u8的7引腳，第六芯片的5引腳連接第二芯片u2的11引腳，第四三極管q4的輸入端分別連接第二芯片u2的3引腳，第四三極管q4的輸出端連接能量采集模塊。

10、進一步地，所述外界激勵為交通震動、風力、水流或機械操作產(chǎn)生的振動。

11、一種使用所述系統(tǒng)的壓電能量收集方法，包括以下步驟：

12、s1，通過能量采集模塊的壓電振子收集外界激勵產(chǎn)生的電能；

13、s2，通過能量存儲模塊存儲收集到的電能；

14、s3，通過能量注入模塊將存儲的電能注入壓電振子，以實現(xiàn)高能軌道振動。

15、本發(fā)明的優(yōu)點

16、1、本發(fā)明的壓電式振動能量收集裝置的能量控制系統(tǒng)，通過單片機作為核心單元，實現(xiàn)壓電振子電壓信息的采集和處理、同步電荷提取電路的開關(guān)控制、電源模塊電壓監(jiān)控、控制能量注入行為等功能。通過采用串聯(lián)的多塊雙晶壓電片構(gòu)成的壓電振子和由四磁塊構(gòu)建雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)兩磁塊雙穩(wěn)態(tài)對比，本技術(shù)的四磁塊雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)具有更低的勢壘和更寬泛的勢阱，低頻振動響應(yīng)較強。

17、2、本發(fā)明的能量控制系統(tǒng)通過能量存儲模塊的收集電路模塊設(shè)置鎖相環(huán)控制模塊和單片機兩種控制方式控制同步電荷提取電路，能夠以較小的能量損失將能量采集模塊產(chǎn)生的電能進行收集；通過能量存儲模塊設(shè)置的電源模塊能存儲能量采集模塊的電能，同時能夠為主控的單片機和鎖相環(huán)同步開關(guān)控制提供穩(wěn)定電源，并為能量注入模塊的升壓模塊提供可靠的電源。

18、3、本發(fā)明的能量控制系統(tǒng)的能量注入模塊利用負電阻器件對能量采集模塊施加電壓擾動，由于壓電振子具有壓電效應(yīng)的特性，通過這些電壓擾動在機械結(jié)構(gòu)上施加了一個短暫的激勵，將會對處于平衡狀態(tài)下的雙穩(wěn)態(tài)振子施加瞬時干擾，使得處于阱內(nèi)振動狀態(tài)下的壓電振子的平衡被打破，促使振子從小幅的阱內(nèi)振動躍升至振動幅度更大的混沌狀態(tài)軌道或振動幅度極大阱間振動軌道。這個躍升在電方面表現(xiàn)為壓電振子的輸出電壓，輸出的電壓峰值將獲得提升，從而在固定激勵的機械系統(tǒng)中俘獲更多的能量。本發(fā)明使用了運算放大器構(gòu)建了負阻抗轉(zhuǎn)換器，根據(jù)系統(tǒng)當前的運行需求，主動管理能量返回到壓電振子，注入過程由單片機實時分析控制，可評估系統(tǒng)整體性能并調(diào)整能量流，以確保系統(tǒng)在較高輸出效率的范圍內(nèi)運行。

19、4、本發(fā)明的能量控制系統(tǒng)使用了頻率同步的鎖相環(huán)控制模塊，確保壓電振子產(chǎn)生的電能的頻率與被注入能量的頻率要求相協(xié)調(diào)。這種同步減少了相位差異，最大限度地減少了傳輸過程中的潛在能量耗散，顯著提高了模塊之間能量流動的效率。

20、5、本發(fā)明的壓電式振動能量收集裝置的能量控制系統(tǒng)，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有壓電能量采集、存儲、注入的功能，并且本發(fā)明對比標準電路在能量收集效率方面具有明顯提升。本發(fā)明中同步電荷提取電路的同步開關(guān)控制權(quán)能夠在鎖相環(huán)控制和單片機控制下互相轉(zhuǎn)移，提高了同步電荷提取電路在不同應(yīng)用場合下的適應(yīng)性，拓展了、同步電荷提取電路的應(yīng)用場景。