[发明专利]振动式自充电电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种振动式自充电电池，具体是一种可将环境振动能转化为电能并存储的电池装置。

背景技术

电池是一种能量转化与储存的装置，每一次电池技术的突破，都能带来相关行业革命性的发展。然而，电池的使用也带来许多弊端，电池中的电解质溶液含有多种化学物质及重金属材料，一旦泄漏到自然环境中，就会对环境造成巨大影响；另外，使用电池的设备在电池能量耗尽后，如不能及时更换电池或充电，就会使设备闲置，如果设备处于野外环境中，那么更换电池的成本就会随设备的数目呈指数型的增高。为了解决上述问题，实践中，多采用太阳能电池板为电池充电，一方面，可以增加电池的利用效率，减少电池的使用数量，避免大量使用电池所造成的资源浪费和环境污染；另一方面，利用太阳能这一随处可见的能源，可以有效补充所需能量，延长设备的使用寿命。然而，有资料显示，在室外开阔地带，太阳能所能提供的功率密度大约为15000μW/cm³，而在阴暗处，功率密度却降到仅仅10～20μW/cm³，这就大大限制了太阳能使用范围。机械振动所能提供的功率密度大约为300μW/cm³，并且机械振动在自然界中几乎随处可见，如果将这部分能量收集起来，作为备用能源使用，那么就可以大大增加设备的单次使用时间和使用寿命，使设备可以长时间在复杂的环境下工作。

发明内容

本发明旨在解决上述电池充电地域受限，应用范围偏窄，废弃电池存在环境污染的问题，提供一种振动式自充电电池，可采集环境振动能，并将振动能转化为电能并存储，进而供外界使用。

按照本发明提供的技术方案，所述的振动式自充电电池包括外壳，外壳内封装有环状悬臂阵列、功率调理模块以及能量存储模块，所述功率调理模块和能量存储模块位于印刷电路板上；所述环状悬臂阵列包括一个或多个圆环状基座、多个连接杆以及多个压电悬臂梁，基座和印刷电路板通过连接杆上下连接成层叠状，基座上均匀分布多个固定槽，压电悬臂梁一端固定在固定槽中，另一端悬空；所述压电悬臂梁包括悬臂梁和压电片，压电片通过导电胶粘附于悬臂梁两侧，并由导线串联连接，分别从悬臂梁和压电片上引出电极；处于同一层的压电悬臂梁通过导线串联连接，层与层之间的压电悬臂梁再通过导线并联起来；所述环状压电悬臂阵列的两个电极连接到印刷电路板上的功率调理模块，功率调理模块再与能量存储模块相连，能量存储模块的供电端通过导线与外壳的正负极相连；环状压电悬臂阵列采集振动能，转化为电能，经由功率调理模块优化放大以后送至能量存储模块储存；当能量存储模块所储存的能量达到设定阈值时，能够为功率调理模块供电以及通过外壳上的正负极对外部供电。

所述功率调理模块包括非线性单元、AC-DC转换单元和控制单元，所述非线性单元包括电感L1和受控开关S1，电感L1和受控开关S1串联后连接3号引脚和4号引脚，所述3号引脚和4号引脚分别连接环状悬臂阵列的两个电极；所述AC-DC转换单元为二极管桥式整流电路或倍压整流电路；所述控制单元包括单片机和外围的电流-电压转换电路、比较器电路，所述电流-电压转换电路包括电阻R1、R2和I-V转换器U1，比较器电路包括电阻R3、电容C2和比较器U2；AC-DC转换单元的交流输入端连接3号引脚和4号引脚，AC-DC转换单元的直流输出正端经过电阻R1连接电容C1一端和电阻R4一端，电容C1另一端和电阻R4另一端接地，电阻R1与电容C1和电阻R4相连的一端连接out0引脚，out0引脚连接能量存储模块的输入端，AC-DC转换单元的直流输出负端接地，电阻R1的两端还分别连接I-V转换器U1的两个电流感应端，I-V转换器U1的输出端连接比较器U2的反相信号输入端并经过电阻R2接地，比较器U2的同相信号输入端经过电容C2接地，并经过电阻R3连接I-V转换器U1的输出端，比较器U2的电源端和I-V转换器U1的电源端均连接至out引脚，out引脚连接能量存储模块的输出端，比较器U2的输出端连接单片机，单片机调理后的信号连接到受控开关S1的控制端；

非线性单元利用压电悬臂梁自身的电容与电感形成LC振荡，使压电悬臂梁两端电压得以快速翻转，从而大幅增加环状悬臂阵列的输出水平，电流-电压转换电路感应AC-DC转换单元后端电流为零的时间，通过比较器电路产生高电平信号，送至单片机中调理，单片机产生方波控制受控开关S1的导通，从而控制非线性单元产生LC振荡，收集到的能量通过out0引脚送至能量存储模块中存储。

进一步的，所述外壳形状为圆筒状，在其上下表面引出金属电极。