能量采集器的電壓調(diào)整的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于能量采集設(shè)備的電壓調(diào)整裝置、能量采集設(shè)備和用于能量采集設(shè) 備的電壓調(diào)整方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自供電傳感器（具體指未連接到公用電網(wǎng)的傳感器）通常可從能夠產(chǎn)生低AC電 壓的小電磁源獲得能量。由于傳感器需要DC電壓，所以可能需要整流小電磁源提供的AC 電壓以產(chǎn)生DC電壓。由此，特別的，由于在所使用的二極管處的壓降，整流過(guò)程可能會(huì)降低 能量采集器的效率。為了補(bǔ)償二極管所造成的壓降，已經(jīng)提出了使用升壓轉(zhuǎn)換器，以及同時(shí) 不使用額外的電感。
[0003] 能量采集設(shè)備（亦稱(chēng)為能量采集器或具體稱(chēng)為電磁能量采集器）可涉及用于采集 或獲?。ň唧w指接收并隨后存儲(chǔ)）電磁能量的設(shè)備，如（變化的）電磁場(chǎng)中包括的能量，流 過(guò)導(dǎo)體的電流中包括的能量，其中在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生有電壓。能量采集設(shè)備例如可用于驅(qū) 動(dòng)本身沒(méi)有連接到向多個(gè)消費(fèi)者供電的公用電網(wǎng)的自主設(shè)備。自主設(shè)備也可以以自給自足 的方式來(lái)運(yùn)作，而不需要通過(guò)連接到公用電網(wǎng)的電纜來(lái)供給能量。自主設(shè)備例如可包括無(wú) 線(xiàn)傳感器或可穿戴電子設(shè)備。自主設(shè)備例如可包括具體需要直流電壓的低能量電子設(shè)備。
[0004] 根據(jù)G.D.Szarka等于2011年8月1至3日，在2011年度低功耗電子與設(shè)計(jì)國(guó)際 會(huì)議（InternationalSymposiumonLowPowerElectronicsandDesign，ISLPED)發(fā)表 的"ExperimentalInvestigationofInductorless,Single-StageBoostRectification forsub-mWElectromagneticEnergyHarvesters"，第 361-366 頁(yè)，電磁振動(dòng)能量米集系 統(tǒng)是已知的，其中附接到懸臂梁的磁體相對(duì)于線(xiàn)圈振蕩，從而在線(xiàn)圈的電端產(chǎn)生感應(yīng)電壓， 該能量采集設(shè)備包括升壓整流器用于提高輸出電壓。由此，在兩個(gè)可分離階段來(lái)實(shí)施輸出 電流的整流和輸出電壓電平的升高。此外，還使用能量采集器的寄生雜散電感。
[0005] 連接到能量采集器輸出端的負(fù)載可具體要求預(yù)定范圍內(nèi)的電壓。然而，已經(jīng)觀察 到，通過(guò)傳統(tǒng)能量采集設(shè)備提供的輸出電壓可能無(wú)法在所有情況或情形下都位于預(yù)定范圍 內(nèi)，這可能會(huì)導(dǎo)致禁止在這些情形下操作負(fù)載。由此，負(fù)載可具體包括需要特定電壓范圍內(nèi) 的電壓功率的傳感器。
[0006] 因此，需要一種能量采集器的電壓調(diào)整裝置和能量采集器的電壓調(diào)整方法，用于 緩和或至少減少上述存在的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 上述需求由獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決。從屬權(quán)利要求詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施 例。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種用于能量采集器或能量采集設(shè)備的電壓調(diào)整裝 置，其可具體包括在能量采集器內(nèi)。由此，所述裝置包括第一（電）輸入端子和第二（電） 輸入端子，適于接收其間的交流電壓（該交流電壓的頻率具體為5Hz至100Hz之間），其中 所述交流電壓具有輸入振幅（即輸入的交流電壓的振幅）。因此，所述交流電壓在電感處 提供或通過(guò)電感提供，特別是發(fā)生或存在電感作用的兩個(gè)終端之間（電感是傳導(dǎo)系統(tǒng)或?qū)?體的特性，通過(guò)電感，導(dǎo)體中的電流變化使導(dǎo)體本身產(chǎn)生電壓，其中，具體的，隨時(shí)間變化的 流過(guò)所述導(dǎo)體的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而感應(yīng)出電壓）。所述裝置還包括開(kāi)關(guān)模塊（具體包括 一個(gè)或多個(gè)可控開(kāi)關(guān)，例如晶體管等），連接在第一輸入端子和第二輸入端子之間用于可控 地連接第一輸入端子和第二輸入端子（其中第一輸入端子和第二輸入端子均可不連接到 大地或接地電勢(shì)，或者第一輸入端子和第二輸入端子其中一個(gè)可連接到接地電勢(shì)）。進(jìn)一 步的，所述裝置包括：控制器（具體包括電路，尤其是可編程半導(dǎo)體電路），適于接收指示所 述電壓的輸入振幅的輸入信號(hào)（例如，電/光或無(wú)線(xiàn)輸入信號(hào)）（如此，所述輸入信號(hào)本身 可不對(duì)應(yīng)于或等于所述電壓的輸入振幅，但是從所述輸入信號(hào)可推導(dǎo)出所述電壓的輸入振 幅，具體包括計(jì)算、轉(zhuǎn)化和/或推導(dǎo)），以及控制所述開(kāi)關(guān)模塊（具體通過(guò)向所述開(kāi)關(guān)模塊提 供離散的或連續(xù)的控制信號(hào)）以根據(jù)所述輸入振幅（或/和所述輸入信號(hào)）可選地（如此 以便選擇是以第一模式操作所述開(kāi)關(guān)模塊還是以第二模式操作所述開(kāi)關(guān)模塊）以第一模 式（具體為第一操作模式）或第二模式（具體為第二操作模式）來(lái)進(jìn)行操作（例如，當(dāng)所 述輸入振幅在第一電壓范圍內(nèi)時(shí)以第一模式操作所述開(kāi)關(guān)模塊，當(dāng)所述輸入振幅在第二電 壓范圍內(nèi)時(shí)以第二模式操作所述開(kāi)關(guān)模塊），以便調(diào)整（具體指維持或改變）所述電壓從而 獲得預(yù)定范圍內(nèi)的輸出振幅（即輸出電壓的振幅）（特別是適于連接到所述能量采集器輸 出端的負(fù)載的范圍內(nèi)，所述負(fù)載具體為自主設(shè)備，諸如無(wú)線(xiàn)傳感器）。
[0009] 所述預(yù)定電壓范圍可具體為2V至IOV之間，進(jìn)一步具體為3. 4V至6. 4V之間。由 此，當(dāng)使用所述電壓調(diào)整裝置對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整時(shí)，傳統(tǒng)的傳感器裝置或傳感器設(shè)備可 由所述采集器的輸出電壓來(lái)供電。
[0010] 連接到所述能量采集器輸出端的設(shè)備例如可包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于監(jiān)控滾柱軸 承的狀態(tài)，特別是風(fēng)能轉(zhuǎn)換器中使用的滾柱軸承或者火車(chē)車(chē)身的車(chē)輪所包括的滾柱軸承。 具體的，所述能量采集器可向無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供能量用于用監(jiān)測(cè)車(chē)輪軸承的狀態(tài)。具體的， 車(chē)輪的轉(zhuǎn)速可在較寬范圍內(nèi)改變，如300rpm和3000rpm之間。具體的，車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)可以驅(qū) 動(dòng)連接到車(chē)輪轉(zhuǎn)軸的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)包括定子繞組（提供電感）和磁性區(qū)域。
[0011] 具體的，所述電感可與線(xiàn)圈相關(guān)聯(lián)或由線(xiàn)圈形成，線(xiàn)圈特指發(fā)電機(jī)的定子繞組。特 別的，發(fā)電機(jī)的定子繞組所提供的電感可由所述電壓調(diào)整裝置使用以進(jìn)行電壓調(diào)整，而除 發(fā)電機(jī)的定子繞組的電感外，不需要額外的電感。由此，可避免使用額外的電感，從而簡(jiǎn)化 所述裝置。
[0012] 所述開(kāi)關(guān)模塊可適于（尤其是由所述控制器控制時(shí)），在可由所述控制器設(shè)置的 特定時(shí)間間隔，在第一輸入端子和第二輸入端子之間建立連接，具體通過(guò)向包含在所述開(kāi) 關(guān)模塊中的可控開(kāi)關(guān)提供的一個(gè)或多個(gè)特定控制信號(hào)。具體的，所述電感由發(fā)電機(jī)的定子 繞組提供時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸加速時(shí)，輸入電壓可以相對(duì)高，如果轉(zhuǎn)軸以低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，則輸 入電壓可以相對(duì)低（具體指，對(duì)于負(fù)載電路來(lái)說(shuō)過(guò)低）。通過(guò)控制所述開(kāi)關(guān)模塊處于第一模 式和第二模式，根據(jù)所述輸入信號(hào)（具體表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速），所述輸出振幅可被調(diào)整為位 于所述預(yù)定范圍內(nèi)。進(jìn)一步的，可關(guān)閉所述開(kāi)關(guān)模塊，并可在某些情況下不影響所述采集設(shè) 備的正常操作。特別的，如果所述輸入電壓超出（被供電的電路的）所述預(yù)定范圍，可以使 用所述開(kāi)關(guān)模塊（尤其是由所述控制器控制時(shí)）作為旁路，以限制所述輸入電壓，使其在所 述能量采集器輸出端處具體位于預(yù)定范圍內(nèi)。
[0013] 在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，電子部件的數(shù)目可能增加，從而增加傳統(tǒng)解決方案的復(fù)雜性和成 本。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其電子部件的數(shù)目減少了，成本也降低了。進(jìn)一 步的，大多數(shù)傳統(tǒng)解決方案是不透明的，一處故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施例，提供了一種透明的電壓調(diào)整裝置，并且一處故障不會(huì)使整個(gè)能量采集系統(tǒng)癱瘓。此 外，傳統(tǒng)系統(tǒng)的整體效率可能會(huì)低。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，能量采集效率得到提高。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述電壓調(diào)整裝置可利用發(fā)電機(jī)的定子繞組所提供的電 感。在其他實(shí)施例中，所述電感可由其他電子元件來(lái)提供。具體的，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例， 由于能量源的雜散電感可用于提高電壓的振幅（具體在第二模式中），所述電壓調(diào)整裝置 可不需要額外的電感器。具體的，電感的特性可僅在所述開(kāi)關(guān)模塊的第二操作模式中使用， 但不可在每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的開(kāi)關(guān)操作模式的第一模式（和第三模式）中使用。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在發(fā)電機(jī)（電/機(jī)械裝置，用于從旋轉(zhuǎn)機(jī)械能產(chǎn)生電能）的 定子繞組（或線(xiàn)圈，具體指，纏繞若干轉(zhuǎn)的導(dǎo)體）的兩端之間提供所述電感，其中所述輸入 信號(hào)表示相對(duì)于定子繞組轉(zhuǎn)旋的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速（或角速度）。所述輸入信號(hào)可具體表 示所述轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)頻率。所述轉(zhuǎn)速可具體為300rpm至3000rpm之間，進(jìn)一步具體為450rpm 至2000rpm之間，這對(duì)應(yīng)于火車(chē)車(chē)身的車(chē)輪的典型轉(zhuǎn)速。從而，當(dāng)交流電壓被從定子繞組兩 端提供給第一輸入端子和第二輸入端子時(shí)，本實(shí)施例可具體應(yīng)用，其中在定子繞組中發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電壓（其中磁性區(qū)域被附接或固定于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸）。
[0016] 由于感應(yīng)電壓的振幅可取決于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)速可提供有關(guān)交流電壓輸 入振幅的信息，使得能夠從轉(zhuǎn)速導(dǎo)出輸入振幅。具體的，不需要直接測(cè)量交流電壓，從而簡(jiǎn) 化了所述裝置。