一種能量采集器及以其為核心的無源無線車載充電支架的制作方法
【專利摘要】一種無源無線的車載充電支架（手機或GPS導(dǎo)航儀支架），其所屬技術(shù)領(lǐng)域為微能量采集、電子電氣工程及新型能源。此充電支架是為了解決移動電子設(shè)備電池續(xù)航能力不足的問題，通過在支架內(nèi)置入可采集汽車發(fā)動機及車內(nèi)振動的能量采集器，并配合專門設(shè)計的能量管理及儲存電路和支架內(nèi)部空間，來有效采集車內(nèi)環(huán)境中的廢棄動能，并轉(zhuǎn)化為可用電能為移動設(shè)備充電，延長續(xù)航時間。該發(fā)明擺脫了車內(nèi)手機或GPS導(dǎo)航儀等需要連接充電線充電的弊端，提供了一種無源無線、綠色環(huán)保的車內(nèi)微能源解決方案。
【專利說明】
一種能量采集器及以其為核心的無源無線車載充電支架
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種低頻復(fù)合式振動能能量采集器，具體涉及一種帶有該采集器并合理布局的車載充電支架(手機或GPS導(dǎo)航儀)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著智能手機及智能可穿戴裝備等便攜式智能設(shè)備的迅速普及，功能性大大增強，其整機的耗電量也隨之大幅增加。由于鋰離子電池的儲電量并沒有隨著便攜式智能設(shè)備的迅速發(fā)展而顯著提高，智能設(shè)備的電池續(xù)航時間也在大幅下降，尤其是在持續(xù)使用其智能功能性時(如持續(xù)通話、持續(xù)導(dǎo)航等)。并且，鋰離子電池的儲電量越大，其體積也會越笨重，從而帶來嚴(yán)重的安全隱患(如爆炸等)和使用上的不便捷(如手機體積過大等)。
[0003]微能量采集技術(shù)，是一種利用一系列耦合效應(yīng)(如壓電、熱電、光電、電磁等等)，將環(huán)境中耗散掉的廢棄微能量(如人體運動、機器振動、光、熱、電磁波等)回收并轉(zhuǎn)化為可用電能，來供給在此環(huán)境中工作的微電子設(shè)備(如手機、GPS導(dǎo)航儀等)，從而顯著增長其電池的續(xù)航時間，并降低工程布線的成本和風(fēng)險。
[0004]汽車發(fā)動機工作時的振動是一種強烈并持續(xù)的環(huán)境能量來源，若能將此機械振動有效轉(zhuǎn)化為電能并回輸至智能設(shè)備，那么其續(xù)航時間將會呈倍數(shù)增加，甚至有能力擺脫人們開車時持續(xù)使用導(dǎo)航和手機通話時設(shè)備對傳統(tǒng)鋰離子電池的依賴。雖然汽車內(nèi)設(shè)有USB或車載充電接口，但是數(shù)據(jù)線的連接為使用造成了很大不便。
[0005 ]壓電效應(yīng)和電磁效應(yīng)都可以有效地將動能轉(zhuǎn)化為電能。具備壓電效應(yīng)的壓電材料以其體積小、效率高、制備成本低等優(yōu)勢在能量采集技術(shù)中被廣泛使用。而傳統(tǒng)的磁鐵加線圈結(jié)構(gòu)也因輸出功率高而在能量采集技術(shù)中被繼續(xù)沿用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了擺脫手機或GPS導(dǎo)航儀在車內(nèi)連續(xù)通話或?qū)Ш綍r需要連接充電線的弊端，也為了使汽車發(fā)動機工作時耗散掉的振動能能夠被回收利用，本發(fā)明提供一種無源無線、綠色環(huán)保的車內(nèi)微能源解決方案。
[0007]本發(fā)明的核心技術(shù)為經(jīng)過合理設(shè)計、組合與布局的電磁和壓電能量采集器。采集器在汽車行駛時可以有效回收發(fā)動機耗散的振動能，并轉(zhuǎn)化為mW-W級可用電能。
[0008]以上述核心技術(shù)為基礎(chǔ)，本發(fā)明還通過合理設(shè)計和改造普通車載手機或GPS導(dǎo)航儀支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為能量采集器的合理安置與高效工作提供必要的空間。
[0009]為提供上述解決方案，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0010]—種無源無線的車載支架。支架內(nèi)部專門為采集器及其能量管理和儲存電路設(shè)計了合理充足的安置和工作空間。支架包含有兩個可固定端一一萬向連接卡槽和出風(fēng)口卡，使其既可以連接普通的車載吸盤懸臂以固定在車內(nèi)平滑表面(如前擋玻璃、中控臺面等)，又可以卡車內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口。用于固定手機或GPS導(dǎo)航儀的卡槽可在一定范圍內(nèi)伸縮，使其可以適用于不同大小形狀的設(shè)備。用于連接手機或GPS導(dǎo)航儀的接頭可以更換，以適配不同廠商型號的設(shè)備。還有可伸縮USB接頭或車載充電接頭連接至能量儲存單元，可以作為極端耗電情況時的備用電源。
[0011]支架結(jié)構(gòu)部件包括手機或GPS導(dǎo)航儀卡槽(簡稱卡槽)、可連接普通吸盤式車載懸臂的多自由度(萬向)結(jié)點(簡稱萬向結(jié)點)、用于卡在車內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口的彈簧卡(簡稱出風(fēng)口卡)和用于固定手機或GPS導(dǎo)航儀的可伸縮卡(簡稱設(shè)備卡)。各部件的詳細(xì)尺寸見附圖及【具體實施方式】中的具體描述。
[0012]卡槽的背后有一個具有一定厚度的中空封閉空間，用來安放壓電能量采集器和電磁能量采集器。同時，卡槽背面有一組可折疊的彈性卡子(出風(fēng)口口卡)，用于當(dāng)卡槽的萬向結(jié)點與普通車載吸盤懸臂分離后將其卡于出風(fēng)口。卡槽的正面上下也各有一個可伸縮彈簧卡(設(shè)備卡)，用于靈活的根據(jù)設(shè)備大小調(diào)節(jié)。其中下端的卡子上有充電接口，接頭既可固定在下設(shè)備卡上，也可作為充電線伸縮，接頭可更換為不同型號?？ú鄣纳隙艘灿幸粭l可伸縮線，為USB或車載充電接頭輸入線。
[0013]—種能量采集器，包括低頻電磁能量采集器和低頻壓電能量采集器。兩種能量采集器的諧振頻率適配于汽車發(fā)動機工作時(行駛和怠速)車內(nèi)的振動頻率，并具備寬頻特性，將車內(nèi)振動有效轉(zhuǎn)化為交流電并輸出至管理電路。專門設(shè)計的能量管理電路和短期能量儲存單元有效地將能量采集器轉(zhuǎn)化的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎弥绷麟姴簳r儲存，在需要時為手機或GSP導(dǎo)航儀充電。
[0014]低頻電磁能量采集器為傳統(tǒng)的磁鐵加線圈的組合。在支架卡槽背后的空間內(nèi)下半部分，并排安裝了兩個該采集器。每個采集器包含三塊磁鐵和三組銅導(dǎo)線圈。三塊磁鐵中有兩塊固定在兩端，每塊尺寸為21 X5 X7 mm3，中心點相隔45mm，N極指向同一方向。另一塊尺寸為19X10X6 mm3，N極指向相反方向，通過磁力懸浮在兩塊固定的磁鐵之間。一個內(nèi)徑尺寸為50 X 35X7 mm3的薄壁腔體包圍在磁鐵外。三組線圈中一組在腔體外由中心向兩端旋繞，約100E，尺寸為30X15X11 mm3。另外兩組分別與第一組的兩端相隔2 mm在腔體外由第一組線圈的兩端向腔體的兩端旋繞，每組線圈約50匝，尺寸為30 X 8 X 11 mm3。
[0015]低頻壓電能量采集器為傳統(tǒng)的雙壓電晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)。在支架卡槽背后的空間內(nèi)上半部分，疊放了22個壓電能量采集器。采集器尺寸為50 X 10 X 0.5 mm3。采集器上下表面與卡槽最大面所在平面垂直。采集器的固定端在卡槽內(nèi)兩側(cè)并排排列，最上面的固定端距卡槽頂部5 mm、每兩個固定端之間相距10 mm，最下面的固定端距電磁能量采集器的頂端11mm。每個壓電采集器的自由端上下表面都各附加了 10 g的質(zhì)量塊，每個質(zhì)量塊尺寸為15 X10X2 mm3，最大表面與采集器上下表面平行并接觸粘接。
[0016]支架卡槽的一個內(nèi)表面同時作為印刷電路板，用來連接采集器、電橋、管理電路芯片和能量儲存單元。每個采集器(包括電磁和壓電)在接入管理電路芯片之前都先經(jīng)過高效交流轉(zhuǎn)直流電橋整流。芯片的輸出端連接薄膜電池或超級電容。
[0017]薄膜電池或超級電容同時與下設(shè)備卡上的輸出接口并聯(lián)。而支架卡槽上的USB或車載充電輸入接口與能量管理電路芯片直流輸入端連接，作為極端耗電情況時的備用電源。具體布線設(shè)計見附圖。
【附圖說明】

[0018]圖1為本發(fā)明支架的總體外觀平面示意圖。
[0019]圖2為圖1中標(biāo)注面(A面)的平面布線圖。
[0020]圖3為圖2中下半部分的布線特寫。
[0021]其中:1、支架卡槽外殼;2、壓電能量采集器;3、壓電能量采集器夾持部件;4、壓電能量采集器質(zhì)量塊;5、壓電能量采集器與電磁能量采集器之間的隔層;6、電磁能量采集器的固定端磁鐵;7、電磁能量采集器的懸浮磁鐵;8、電磁能量采集器與管理電路芯片之間的隔層;9、匝數(shù)為50的線圈(兩端線圈)；10、匝數(shù)為100的線圈(中心線圈)；11、能量管理電路芯片及輸入輸出端口模塊；12、下端設(shè)備卡；13、輸出接口； 14、上端設(shè)備卡；15、萬向結(jié)點連接處;16、出風(fēng)口卡；17、可伸縮USB或車載充電接線；18、輸出接口的可伸縮接線;Al、高效交流轉(zhuǎn)直流電橋;A2、管理電路芯片;A3、能量儲存單元。
【具體實施方式】
[0022 ]下面，結(jié)合附圖以及【具體實施方式】，對本發(fā)明做進(jìn)一步描述:
[0023]請參閱圖1，本發(fā)明合理有效地將低頻壓電和電磁能量采集器分布并安裝在支架卡槽I背部的中空封閉空間內(nèi)。卡槽空間的內(nèi)部尺寸為176 X 106 X 11 mm3,材料可采用普通的用于手機外殼的高分子材料，也可采用外觀精美的合金材料，剛度越高的材料，越有利于將機械振動傳遞到能量采集器上?？ú蹆?nèi)部的隔層5和隔層8將內(nèi)部空間分為4個區(qū)域。其中上部區(qū)域為壓電能量采集器2+4，尺寸為121 X 106 X 11 mm3。下部區(qū)域的兩側(cè)為電磁能量采集器6+7+9+10，每側(cè)尺寸為50X35X 11 mm3。中間為管理電路芯片、各種接口以及能量儲存單元11，尺寸為50 X 34 X 11 mm3。隔層材料可采用與卡槽主體一致的材料，方便一次成型和加工。
[0024]支架結(jié)構(gòu)部件除了卡槽I之外，還包括闊可連接普通吸盤式車載懸臂的萬向結(jié)點連接處15、出風(fēng)口卡16和設(shè)備卡12+14。萬向結(jié)點連接處15在卡槽背面外部的正中心，是一個半徑為26 mm的球面，與卡槽背面交界面的直徑為36 mm，球面中心凹陷處與市場上的車載吸盤懸臂端部萬向結(jié)點球同尺寸，使其可以卡進(jìn)萬向結(jié)點球，既可以通過吸盤懸臂固定在車內(nèi)平滑表面，有可以使卡槽自由調(diào)整角度。出風(fēng)口卡16是兩個彈簧卡，每個卡子的固定部分與卡槽為一體，尺寸為30X30X5 mm3，分別距卡槽頂端28 mm和138 mm。彈簧卡的活動部分尺寸為30 X 28X2.5 mm3,通過硬彈簧與固定部分連接，使其向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓力，用于將整個卡槽固定在車內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口的扇片上。設(shè)備卡的下端的卡子12上有充電接口 13，接頭既可固定在下設(shè)備卡12上，也可作為充電線18伸縮，接頭可更換為不同型號，以適配不同廠商型號的設(shè)備。設(shè)備卡上端的卡子14通過也通過彈簧與卡槽連接，產(chǎn)生指向內(nèi)側(cè)的壓力，用來固定不同尺寸的設(shè)備。設(shè)備卡的尺寸為36 X 15 X 10 mm3。以上部件的材料均可選用同卡槽主體一直的材料?？ú鄣纳隙艘灿幸粭l可伸縮線17，為USB或車載充電接頭輸入線，內(nèi)部連接至能量管理電路芯片直流輸入端，作為極端耗電情況時的備用電源。
[0025]低頻電磁能量采集器6+7+9+10為傳統(tǒng)的磁鐵加線圈的組合。在支架卡槽背后的空間內(nèi)下半部分，并排安裝了兩個該采集器。每個采集器包含三塊磁鐵6+7和三組銅導(dǎo)線圈9+
10。磁鐵為NdFeB。三塊磁鐵中有兩塊6固定在兩端，每塊尺寸為21X5X7 mm3，中心點相隔45mm，N極指向同一方向。另一塊7尺寸為19X 10X6 mm3，N極指向相反方向，通過磁力懸浮在兩塊固定的磁鐵之間。一個內(nèi)徑尺寸為50 X 35 X 7 mm3的薄壁腔體包圍在磁鐵外。線圈為普通的細(xì)銅導(dǎo)線，外部須絕緣。三組線圈中一組10在腔體外由中心向兩端旋繞，約100匝，尺寸為30X15X11 mm3。另外兩組分別9與第一組的兩端相隔2 mm在腔體外由第一組線圈的兩端向腔體的兩端旋繞，每組線圈約50阻，尺寸為30X8X 11 mm3。
[0026]低頻壓電能量采集器2為傳統(tǒng)的雙壓電晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)。壓電材料選用燒結(jié)好并減薄的PZT-5H壓電陶瓷厚膜，厚度約200 Mi。兩層壓電厚膜分別通過硬化樹脂貼在一層中間層的兩側(cè)，中間層厚度約100 Mi，材料可選用不銹鋼或軟高分子材料如PETF等。壓電厚膜與中間層的平面尺寸均為50 X 10 mm2。在支架卡槽背后的空間內(nèi)上半部分，疊放了22個壓電能量采集器。采集器上下表面與卡槽最大面所在平面垂直。采集器的固定端3在卡槽內(nèi)兩側(cè)并排排列，最上面的固定端距卡槽頂部5 mm、每兩個固定端之間相距10 mm，最下面的固定端距電磁能量采集器的頂端11 mm。固定端3最好采用剛度較大的硬質(zhì)材料，如合金、陶瓷等，以便提供有效的夾持力度，使壓電懸臂梁產(chǎn)生足夠的根端應(yīng)變以采集能量輸出。每個壓電采集器的自由端上下表面都各附加了 10 g的質(zhì)量塊4，材料可選用密度較大的金屬，如鉛、鎢等，每個質(zhì)量塊4尺寸為15X10X2 mm3，這個尺寸會根據(jù)選用的材料不同在一定幅度內(nèi)波動，質(zhì)量塊4最大表面與采集器上下表面平行并接觸粘接。
[0027]同時請參照圖2和圖3，支架卡槽的一個內(nèi)表面A同時作為印刷電路板，用來連接采集器、電橋Al、管理電路芯片A2和能量儲存單元A3。每個采集器(包括電磁和壓電)在接入管理電路芯片A2之前都先經(jīng)過電橋Al整流。電橋必須為微型電子器件，并為高效交流轉(zhuǎn)直流電橋。由于采集器所產(chǎn)生的輸出為均為交流信號，為防止直接并聯(lián)有可能產(chǎn)生的不同方向電流抵消后降低輸出，每個采集器都先單獨經(jīng)過電橋整流后再接入芯片A2。所用芯片A2可以是市場上銷售的用于能量采集的管理電路，如MAX17710或LTC3588等。芯片A2的輸出端連接薄膜電池或超級電容A3。能量儲存單元A3同時與下設(shè)備卡12上的輸出接口 13并聯(lián)。而支架卡槽上的USB或車載充電輸入接口 17與能量管理電路芯片A2直流輸入端連接，作為極端耗電情況時的備用電源。
[0028]在實際生產(chǎn)過程中，要考慮到合理的部件生產(chǎn)與組裝過程。
[0029]對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，還可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的材料以及布局上的改進(jìn)，但所有的這些改進(jìn)都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種能量采集器，其特征在于:包括低頻電磁能量采集器和低頻壓電能量采集器，低頻電磁能量采集器為傳統(tǒng)的磁鐵加線圈的組合，每個電磁能量采集器包含三塊磁鐵和三組銅線圈，低頻壓電能量采集器為傳統(tǒng)的雙壓電晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)，諧振頻率適配于汽車發(fā)動機工作時車內(nèi)的振動頻率，并具備寬頻特性，可以將車內(nèi)振動有效轉(zhuǎn)化為交流電并輸出至管理電路，配備了專門為能量采集器設(shè)計的能量管理電路和短期能量儲存單元，該配置能有效地將能量采集器轉(zhuǎn)化的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎弥绷麟姴簳r儲存，在需要時為手機或GSP導(dǎo)航儀充電；輸出接口連接到支架上的固定或可伸縮接頭，用來連接手機或GPS導(dǎo)航儀，同時，支架上還有可伸縮USB接頭或車載充電接頭連接至能量儲存單元，可以作為極端耗電情況時的備用電源。2.一種無源無線的車載充電支架，其特征在于:包括置入支架內(nèi)部的可采集汽車發(fā)動機及車內(nèi)振動的能量采集器，專門為采集器設(shè)計的能量管理及儲存電路，和專門為采集器設(shè)計的支架內(nèi)部空間；車載充電支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過專門設(shè)計和改造，為內(nèi)部的能量采集器提供了充足合理的安置和工作空間；車載充電支架包含有兩個可固定端一一萬向連接卡槽和出風(fēng)口卡，使其既可以連接普通的車載吸盤懸臂以固定在車內(nèi)平滑表面，又可以卡車內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口，用于固定手機或GPS導(dǎo)航儀的卡槽可在一定范圍內(nèi)伸縮，使其可以適用于不同大小形狀的設(shè)備。
【文檔編號】H02J7/00GK205693418SQ201620442223
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月16日 公開號201620442223.8, CN 201620442223, CN 205693418 U, CN 205693418U, CN-U-205693418, CN201620442223, CN201620442223.8, CN205693418 U, CN205693418U
【發(fā)明人】王辰飛
【申請人】天津能極科技有限責(zé)任公司