用于穿戴式电子产品的基于压电材料的储能方法及装置

摘要

本发明公开了一种用于穿戴式电子产品的基于压电材料的储能方法及可用于实施该方法的储能装置，所述储能方法具体为：在穿戴式电子产品的电源模块中设置压电薄膜，在压电薄膜的表面附着电的导体，在压电薄膜的表面或附近设置磁铁，所述导体的摆放方向与磁铁的磁感线成一定角度，使导体在震动或运动时切割磁感线并产生电能；同时，压电薄膜也会因形变而产生电能。利用储能元件存储上述电能，用作电子产品的供电。所述储能装置可用于实施该方法。本发明环保节能，易于推广实施，与单纯采用压电材料相比，动能至电能的转化效率高，尤其适用于穿戴式电子产品。

权利要求

1.一种用于穿戴式电子产品的基于压电材料的储能方法，其特征在于,包括以下步骤：在穿戴式电子产品的电源模块中沿横向、纵向及竖向均设置压电薄膜，在各压电薄膜的表面附着多根相互平行的电的导体，在压电薄膜的表面或附近设置磁铁，所述导体的摆放方向与磁铁的磁感线成一定角度,每个压电薄膜配有对应的导体和磁铁；将所述压电薄膜的输出端固定安装，磁铁及导体设置在靠近压电薄膜自由端的位置；

利用储能元件存储导体切割磁感线产生的电能和压电薄膜产生的电能，用作电子产品的供电,并对导体切割磁感线产生的电信号、压电薄膜产生的电信号进行方向检测、滤波及叠加的信号处理；

通过控制电路控制驱动储能电路或信号处理电路本体工作的电源的通断；通过震动传感装置检测压电薄膜、导体或电子产品本体是否处于震动状态中，当检测到压电薄膜、导体或电子产品本体处于非震动状态且超出设定时间值后，控制电路即切断储能电路或信号处理电路的驱动电源。

2.一种基于压电材料的储能装置，设有压电薄膜及储能单元，其特征在于，还包括以下组成构件：A）导体及磁铁，多根相互平行的条状或棒状导体附着在压电薄膜表面，与磁铁的磁感线成一定角度摆放；

B）信号处理单元，压电薄膜的输出端与信号处理单元的输入端连接，所述导体通过两端的引线与信号处理单元输入端连接；

C）控制电路及驱动电源，所述驱动电源与信号处理单元或储能单元连接，向信号处理单元或储能单元输出驱动电流；控制电路与驱动电源连接，控制驱动电源的通断；

所述信号处理单元的输出端与储能单元的输入端连接；所述压电薄膜的输出端固定安装，压电薄膜的其它端部或侧边为自由端，所述磁铁与导体设置在靠近压电薄膜自由端的位置；

所述储能装置在横向、纵向及竖向三轴向上均设有压电薄膜,每个压电薄膜均配有对应的导体和磁铁，该储能装置设置在穿戴式电子产品的电源模块中。

说明书

用于穿戴式电子产品的基于压电材料的储能方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电子产品,具体为一种用于穿戴式电子产品的基于压电材料的储能方法及装置。

背景技术

[0002] 近两年，可穿戴式产品呈现井喷式发展，从以Galaxy Gear为代表的智能手表到以Jawbone UP为代表的运动健康腕带等，极大方便了人们的日常生活。然而，由于可穿戴设备的电池容量有限，其有效工作时间在几个小时到几天之间，需要定期充电才能维持设备的持续运转。手机等电子产品也存在同样的问题。

[0003] 人在日常生活中不可避免的要发生运动，如步行等。这个过程中的动能如果可以转换成电能并加以储存，将大大延长小型电子设备的工作时间，例如自动机械表等。自动机械表一般由自动锤（重锤）、换向轮、自动传动轮、自动头轮等组成。自动锤用螺钉固定在中心自动锤轴上，在外力的作用下，它围绕中心旋转带动换向轮，换向轮轴齿又推动自动传动轮转动，自动传动轮推动自动头轮，自动头轮与大钢轮齿啮合，使大钢轮一个齿一个齿地转动而上条。全自动表是自动陀向任一方向转动都能上条。然而，该类方法复杂，对机械部件要求高，相应成本也很高。

[0004] 同时，人体的运动可能没有长久的规律性。比如，即使步行或跑步等运动，也可能由于速度的快慢等是频率始终在发生着变化。换言之，依靠特定频率的共振来转换能量可能不太现实。美国MicroGen公司的BOLT产品根据不同的特定频率研发出基于100Hz、120Hz和600Hz等产品。这些产品都不合适用于以人体运动为考量的应用中。人体步行和跑步的频率一般分别在1-2步/秒和3-9步/秒等，但都远低于BOLT产品的固定频率。美国密歇根大学2010年研发的微型发电机（参数频率增加发电机，Parametric Frequency Increased Generators，PFIGs）针对于随机的震动。该方法自称可以产生10-100微瓦的电能。然而，该能量对于驱动目前的可穿戴设备而言仍然不够。

[0005] 上述两个例子中的产品都基于压电薄膜所实现。压电材料会由于震动而发生形变，该形变会产生一个电压差，通过收集电动势来达到采集电能的目的。一般来说，震动的幅度越大，则压电材料的应变越大，即其产生的电动势越大；类似的幅度发生的越频繁，其可收集的电能也越多。但目前上述的实施例中，一般都基于正常震动产生的频率，该情况下所能产生的电能是有限的，无法驱动目前电路越来越复杂的电子设备。且这些薄膜的形变往往只考虑了二维方向，如上下震动，对于其他方向的运动则难以准确捕捉。

发明内容

[0006] 本发明的技术目的是针对现有技术存在的缺陷或不足，提供一种储能途径更多、效率更好的用于穿戴式电子产品的储能方法及能够用于实施该方法的储能装置。

[0007] 为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

[0008] 一种用于穿戴式电子产品的基于压电材料的储能方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0009] 在穿戴式电子产品的电源模块中设置压电薄膜，在压电薄膜的表面附着电的导体，在压电薄膜的表面或附近设置磁铁，所述导体的摆放方向与磁铁的磁感线成一定角度，使导体产生震动（或振动）时能够做切割磁感线的运动；

[0010] 利用储能电路存储导体切割磁感线产生的电能和压电薄膜产生的电能，用作电子产品的供电。

[0011] 进一步的，本方法还包括对导体切割磁感线产生的电信号、压电薄膜产生的电信号进行方向检测、滤波、叠加的信号处理步骤。

[0012] 进一步的，通过控制电路控制驱动储能电路或信号处理电路本体工作的电源的通断；通过震动传感装置检测压电薄膜、导体或电子产品本体是否处于震动状态中，当检测到压电薄膜、导体或电子产品本体处于非震动状态且超出设定时间值后，控制电路即切断储能电路或信号处理电路的驱动电源。

[0013] 为使电子产品发生不同角度的运动或震动时，均有导体做切割磁感应线的运动，可在横向、纵向及竖向上（即X、Y、Z三轴向）分别设置压电薄膜，每个压电薄膜均配有对应的导体和磁铁单元。

[0014] 一种基于压电材料的储能装置，设有压电薄膜及储能单元，其特征在于，还包括以下组成构件：

[0015] A）导体及磁铁，所述导体附着在压电薄膜表面，与磁铁的磁感线成一定角度，使其发生震动（或振动）时能最大限度的做切割磁感线的运动；

[0016] B）信号处理单元，压电薄膜的输出端与信号处理单元的输入端连接，所述导体通过两端的引线与信号处理单元输入端连接；

[0017] C）控制电路及驱动电源，所述驱动电源与信号处理单元或储能单元连接，向信号处理单元或储能单元输出驱动电流；控制电路与驱动电源连接，控制驱动电源的通断；

[0018] 所述信号处理单元的输出端与储能单元的输入端连接；所述压电薄膜的输出端固定安装，压电薄膜的其它端部或侧边为自由端。

[0019] 作为优选，所述导体设置为条状或棒状，压电薄膜上设置有一根以上的导体。导体的材料可选用铜、铝等良导体金属材料，而压电薄膜可采用压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜等。

[0020] 进一步的，本装置可设置多个压电薄膜，每个压电薄膜均配有对应的导体及磁铁。且优选的，所述多个压电薄膜至少包括两个以上按不同轴向方向摆放的压电薄膜，例如，在横向、纵向及竖向三轴向（即X、Y、Z轴向）上均设置压电薄膜及配套的导体、磁铁等。

[0021] 上述的储能装置可设置在穿戴式电子产品的电源模块中，将人体运动产生的动能转换为电能，用于电子产品的供电，延长电子产品的持续工作时间。

[0022] 本发明采集的电能包括压电薄膜自身形变所产生的电动势和压电薄膜上导体切割磁感应线所产生的电动势两个方面，动能至电能的转化效率高，转化效果好，且方法易于实施，装置结构简洁，易于生产制造，便于推广使用，尤其适用于运动型的穿戴式电子产品，环保节能。

附图说明

[0023] 图1为本发明的结构示意图；

[0024] 图2为压电薄膜、导体及磁场的方位结构示意图。

[0025] 上图中，1-控制电路，2-压电薄膜，3-磁铁单元，4-信号处理单元，5-储能单元、6-金属导体。

具体实施方式

[0026] 为进一步阐明本发明的方案原理及技术效果，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

[0027] 如图1所示的一种基于压电材料的储能装置，包括控制电路1、压电薄膜2、磁铁3、信号处理单元4、储能单元5、金属导体6和磁铁。

[0028] 所述金属导体6采用金属棒或金属条，附着在压电薄膜2的表面（金属导体与压电薄膜之间无电连接）。例如图2所示的一矩形压电薄膜2表面设有若干条平行的金属导体6。

[0029] 金属导体6在压电薄膜2上的设置方向与磁铁的磁感线成一定角度，使其运动时切割磁感线，以垂直于磁铁N级-S级连线为佳。而磁铁可采用条形或U形等常规形状，附着于压电薄膜2表面或设置在压电薄膜2附近的位置。

[0030] 压电薄膜2的输出端与信号处理单元4的输入端连接，所述金属导体6两端通过引线与信号处理单元4输入端连接。所述信号处理单元4的输出端与储能单元5的输入端连接。所述储能单元5一般为以超级电容等储能元件为核心部件的电路模块。

[0031] 所述压电薄膜2的输出端固定于储能装置中，而压电薄膜2的其它端部或侧边设为自由端。当储能装置发生震动或运动时，压电薄膜2自由端的摆动幅度较大，故可将磁铁设置在靠近压电薄膜2自由端的一侧，且金属导体6也尽量设置在靠近自由端的位置。如图2所示,压电薄膜2的底端固定，上端为自由端，故薄膜自由端只能向图中的左侧或右侧摆动，图中虚线部分为自由端转过180°的示意。压电薄膜2上方存在磁场，当薄膜上端摆动时，由于金属导体6切割磁感线，各金属导体6上都会产生大小不一但方向一致的感应电流i，通过信号处理单元4的处理，将这些电流信号叠加可得总电流。

[0032] 考虑到储能装置震动方向的不确定性，优选的，可在X、Y、Z三轴向上均设置压电薄膜2和配套的磁铁、金属导体6等，即在前后、左右和上下方向上均存在具有摆动条件的压电薄膜（图2所示为可左右摆动的压电薄膜）。

[0033] 同时，当压电薄膜2摆动时，薄膜本身会产生形变，基于压电材料本身形变会产生电压的性质，压电薄膜2和金属导体6这二者在震动中产生的电能在信号处理单元4的处理后，可存储至电容等储能器件中。所述信号处理单元4的功能包括对多维方向电动势信号的识别和滤波等调理，并叠加。

[0034] 本发明储能装置本身需要一定的外部电源供电，用于驱动信号处理单元4和储能单元5等。该外部驱动电源由控制电路1控制其通断。同时，也可进一步设置检测压电薄膜2、金属导体6或电子产品本体（解释为包括储能装置或不包括均可）是否处于震动状态中的震动传感装置，当控制电路1检测到压电薄膜2、金属导体6或电子产品本体处于非震动状态且超出一定时间值后，控制电路1即切断储能单元5或信号处理单元4的驱动电源，以节约能源消耗。

[0035] 当上述的储能装置用于穿戴式电子产品中后，在人体运动中，本发明储能装置可利用多轴向压电薄膜和切割磁感应线的金属导体将多维方向运动的动能转化为电能，环保节约，且有效解决电子产品自带电源有限的问题。

[0036] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。