CN100414808C - 能高效俘能和储能的压电俘能器 - Google Patents

Abstract

一种压电俘能器，压电梁由沿厚度方向极化的双层压电陶瓷片和中间夹层构成，陶瓷片的上、下表面镀有金属银做电极，在压电梁上并联有一个带控制开关的电感线圈，电极再与桥式整流器和整流电容器连接，整流电容器之后再并联有由晶体管开关、电感和二极管组成的Buck-Boost型dc-dc转换器，和能稳定充电电流的滤波电容器及储能电池。在整流器闭路阶段，断开与压电梁并联的控制开关，而在整流器开路初期，控制开关闭合，电感与压电梁的等效电容形成L-C振荡子。该俘能器俘能效率高，电路参数占空比可调，能把收集的能量储存起来，充电效率高。

Description

能高效俘能和储能的压电俘能器

[技术领域]

本发明属于一种可以从环境振动中俘获能量、并有效地将所俘获的能量储存到充电电池的压电俘能器。

[背景技术]

微电子器件工作需要能量，传统方法是通过携带电池供能。由于电池的使用周期短、质能比高、有时受环境限制而更换困难，不适合应用到现代联网传感技术中去。寻求新的更有效的供能方法是现代传感技术向更微型化、更集成电路化、且具有更多如自动校准、无线操纵、人机相容等现代功能的关键技术。

在微电子器件的工作环境中普遍存在着噪音或机械振动，由于这类器件工作时的耗能并不大，故可通过设计俘能装置，直接从环境振动中提取能量来保证它们工作。这种可无线获能的装置称为俘能器(energy harvester)。由于微电子器件并不一定是时时都在耗能，只在需要启动时才耗能，而且器件在每次启动期间所消耗的能量并不一定等于同期从环境中所提取的能量，而目前的压电俘能器并没有储能功能，当环境的振动水平较低时，这类俘能器不能保证微电子器件的正常工作。

[发明内容]

为了保证微电子器件的正常工作，并提高压电俘能器的效率，本发明设计的俘能器，包括俘能元件(harvesting element)、调节电路(modulatingcircuit)和储能电池这三大部分。俘能元件由压电结构与一个带控制开关的电感线圈并联组成，压电结构是梁型双压电陶瓷片，其一端固定在振动台上，另一端点处悬挂集中质量；储能部件由一滤波电容器和一化学可充电池构成；调节电路由桥式整流器、整流电容器和Buck-Boost型dc-dc转换器所组成，Buck-Boost型dc-dc转换器包括晶体管开关、用于能量中转的电感和二极管，其输出电流经充电滤波电容器后把能量储存在储能电池。与压电梁并联的带控制开关的电感线圈(SSHI)，在整流器从闭路转为开路时，用于电荷转移的电感线圈的控制开关闭合，该电感与压电梁的等效电容组成L-C振荡回路。设计控制开关的每次闭合时间间隔等于振荡回路的半周期，使得整流器断开时，振荡回路在每层压电片的相对极板间进行正负电荷转移，使整流器的下一个闭路阶段到达时间最短，从而提高压电俘能结构的俘能效率。由于能使压电俘能结构性能最佳的整流电压一般并不等于储能电池的电压，因此，在电池前面添加一个匹配整流电压与电池电压的Buck-Boost型dc-dc转换器。

本发明所依据的原理是：压电陶瓷片在机械外力作用下会产生电极化现象，

$D_3=s_{11}^{-1}{d}_{31}\left({-x}_3{u}_{\mathrm{3,11}}\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{33}V/h,---\left(1\right)$

式中，D₃是电位移分量，s₁₁，d₃₁和ε₃₃分别是压电梁的柔度系数，压电系数和介电系数，-x₃u_3，11是梁纵向正应变，V表示压电陶瓷片的边极板与中心极板间的电势差，h是压电陶瓷片的厚度。于是，双压电陶瓷片梁的上下表面均会出现极化电荷Q

$Q=S\left\{s_{11}^{-1}{d}_{31}\right[-(h+c)u_{\mathrm{3,11}}]-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{33}V/h\},---\left(2\right)$

2c是中心金属层的厚度，l为梁的长度，S是电极板的面积。在整流器开路阶段，梁表面的极化电荷Q保持不变；在整流器闭路阶段，材料内的极化电场将驱动金属电极上的自由电子由极板流向整流电容器，从而形成回路电流i

i＝-2dQ/dt.    (3)

因为调节电路中紧跟着整流器的是一个容量较大的电容器，记其电压为V_r，所以我们得到压电俘能结构的电路方程为

i＝0，开路阶段，

                     (4)

V＝±V_r，闭路阶段.

考虑环境的机械振动具有周期性，则压电俘能结构的输出功率密度γ为

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{{\mathrm{\ΩT}}_0}{\∫}_0^{T_0}\mathrm{iVdt},---\left(5\right)$

式中，T₀为环境机械振动的振动周期，Ω为压电俘能结构的体积。为了使压电俘能结构的输出功率大，应设计俘能结构的固有频率接近于环境机械振动频率。另外，还可通过在压电陶瓷梁的自由端部悬挂集中质量来调节俘能结构的性能。

俘能结构从环境中所提取的能量用化学电池储存，由于能使压电俘能结构性能最佳的整流电压V_r通常与电池电压V_b并不相等，因此在调节电路中，应用了Buck-Boost型dc-dc转换器来匹配这两个电压。Buck-Boost型dc-dc转换器的工作原理是：在晶体管M₁的闭路阶段，整流电容器将能量传给电感11；而在晶体管M₁的开路初期，电感11将其所储存的能量释放出来，传递给后面的滤波电容器C₁和储能电池。利用转换器的平均输入功率与输出功率相等条件即可确定Buck-Boost型dc-dc转换器的占空比(duty cycle)为

$D=\sqrt{\frac{2L{f}_S{V}_b}{V_r^2}(I_0+i_C)}.---\left(6\right)$

即在一个电路周期T_S中，Buck-Boost型dc-dc转换器闭路的时间期间为DT_S。式中，L为dc-dc转换器中的电感，f_S＝1/T_S，I₀为电池的最大充电电流，i_C为流入滤波电容器C₁的电流。储能电池的最大充电电流I₀可以这样确定：在给定的环境振动水平内，俘能端所能输出的最大平均功率等于电池电压V_c与其最大充电电流I₀的乘积，即

I₀＝(V_r/V_c)<I_r>/K，    (7)

K＝1+5e^-4C₁(V_∞-V₀)/Q_m.

式中，V_c为电池的电能被充到80％的电压，V_∞为电池稳定电压，V₀为电池最小电压。Q_m为电池容量，C₁为滤波电容。<I_r>为压电俘能结构的最大平均输出电流。

本发明与现有的压电俘能器相比具有以下优点：

1)引入一个化学可充电池，可有效储存所俘获的能量；2)在压电端引入SSHI，使得俘能效率明显提高；3)Buck-Boost型dc-dc转换器的占空比可调，使得压电端既可从振动水平高的环境振动中俘能，也可从振动水平低的环境振动中有效俘能，且充电效率高。

[附图说明]

图1含SSHI和Buck-Boost型dc-dc转换器的压电俘能器示意图；

图2Buck-Boost型dc-dc转换器的占空比随电池电压的变化规律；

图3电路端有Buck-Boost型dc-dc转换器和没有这类转换器的充电效率比较；

图4压电端有SSHI和没有SSHI的充电效率比较。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[具体实施方式]

如图1所示，俘能元件由压电结构与带控制开关的电感7并联组成，压电结构由梁型双压电陶瓷片叠合而成，即由沿厚度方向极化的双层压电陶瓷片1和中间夹层2构成，双层压电陶瓷片1的上、下表面镀有金属银做电极3，左端点4固定在振动台上，振动台以Asin2πf₀t垂直振动，A是机械振动振幅，f₀＝1/T₀是外载频率。外端点处悬挂集中质量5。一个带控制开关6的电感线圈7并联于压电梁上。电极再与一桥式整流器8和整流电容器9连接。紧跟9之后的是Buck-Boost型dc-dc转换器，它由一晶体管开关10，一个电感11，和一个二极管12组成。其后是能稳定充电电流的滤波电容器13，和一个化学可充电池14。

压电陶瓷选为PZT-5H，其主要参数如下：

(s₁₁，d₃₁，ε₃₃)＝(16.5×10^-12m²/N，-274×10^-12C/N，3400ε₀)， ${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_{33}={\mathrm{\&epsiv;}}_{33}(1-k_{31}^2),k_{31}^2=d_{31}^2/\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{33}{s}_{11}\right),$ ε₀＝8.854×10^-12F/m，ρ＝7500kg/m³。

中心金属层选用铝，其Young氏模量E＝70GPa，密度ρ′＝2700kg/m³。环境机械振动频率取为50Hz，T₀＝0.02s，ω₀＝2π/T₀，ω²A＝0.5～3.0。梁的结构参数：宽度10mm，体格1cm³，c/h＝0.4，l/(c+h)＝56.8，在压电梁的自由端悬挂集中质量m₀是梁质量的10倍，与压电梁并联的电感取为100mH。电路参数如下：整流电容取为20mF，Buck-Boost型dc-dc转换器的电感取为10mH，能稳定电池充电电流的滤波电容取为2.2mF。电池参数：Q_m＝100mAh，V₀＝1.8V，V_c＝2.3V，V_∞＝2.31V。

对图1示结构优化后得到，在 ${\mathrm{\&omega;}}_0^{2}A=1.0$ 时，最佳整流电压V_r＝8.2V，最大输出功率P_max＝1.49mW/m³。另外，增加Buck-Boost型dc-dc转换器或SSHI可有效提高压电俘能器的充电效率，其中，在 ${\mathrm{\&omega;}}_0^{2}A=3.0$ 时，用Buck-Boost型dc-dc转换器比不用这类转换器的充电效率提高近6倍，用SSHI比不用SSHI的充电效率提高近4倍。下面对有关具体参数的计算进行说明。

1.先针对具体的环境振动，求出可使压电俘能结构性能最优的整流电压V_r

计算中，压电梁的固定支座固定在振动台上，振动台以Asin2πf₀t沿垂直方向振动，且在优化计算中将将振动台的振动加速度幅值ω₀ ²A取为1m/s²。于是，压电梁固定支座处的边界条件为：垂直方向的位移按Asin2πf₀t变化。在自由端的边界条件为：该处的弯矩等于零，横截面上的剪应力合力引起集中质量在垂直方向上的加速度。压电俘能结构的电路条件，可分为三个阶段：1)整流器闭路阶段，与压电梁并联的控制开关总是断开的，这时压电梁的输出电压等于±V_r。2)一旦整流器开路，在开路的最初一瞬间，SSHI的控制开关闭合，使得用于电荷转移的电感与压电梁的等效电容形成L-C振荡子。若控制开关闭合期间正好取为该振荡子的半周期的话，则该振荡子能将压电极板间的电压反转，从而可大大提前整流器的下一个闭路期间的到来，从而提高压电俘能器的充电效率。当然，由于振荡子反转极板电压过程中因辐射或放电所带来的能量损失，振荡回路并不能将原来的正电压(V_r)完全反转成负电压(-V_r)，所以振荡子关闭后的初始阶段仍是整流器开路。3)在整流器开路阶段，梁表面的自由电荷Q保持不变。

2.调节电路的计算

在这部分计算中，我们将环境振动固定在 ${\mathrm{\&omega;}}_0^{2}A=1.0,$ 则最佳整流电压V_r＝8.2V。将有关参数代入方程(6)式得到：当V_r＝V_c时，占空比(duty cycle)D≈2％；但在充电过程中，电池电压是在缓慢地从V₀＝1.8V到V_∞＝2.31V变化的，为了保证Buck-Boost型dc-dc转换器的平均输入与输出功率相等，V_r在电池电压从V₀＝1.8V到V_∞＝2.31V变化过程中也缓慢变化着。因此，随着电池中所储存能量的水平不同，应将占空比作适当的调整，调节规律按图2所示进行。显然，当电池电压处于较小阶段时，整流电压与电池电压的差值较大，那么占空比较小，反之，则相反。即当压电结构及外激励给定时，随着充电过程的进行，电池电压逐渐升高，因此应该考虑经过一段时间后，适当调大Buck-Boost型dc-dc转换器的占空比。

3.引入Buck-Boost型dc-dc转换器和SSHI后，对俘能器性能的改善程度分析

图3画出了电路端有和没有Buck-Boost型dc-dc转换器时的充电效率比较(ω²A＝0.5～3.0)。显然，充电电路中没有Buck-Boost型dc-dc转换器的充电效率明显低于有Buck-Boost型dc-dc转换器的充电效率，尤其是当 ${\mathrm{\&omega;}}_0^{2}A=3.0$ 时，后者比前者高约6倍。

图4画出了压电端有和没有SSHI时的充电效率比较(ω²A＝0.5～3.0)。显然，压电端没有SSHI的充电效率明显低于有SSHI的充电效率，尤其是当 ${\mathrm{\&omega;}}_0^{2}A=3.0$ 时，后者比前者高约4倍。

Claims (2)

1. 一种压电俘能器，俘能元件由压电梁与带控制开关的用于电荷转移的电感(7)并联而成，压电结构由沿厚度方向极化的双层压电陶瓷片和中间夹层构成，双层压电陶瓷片的上、下表面镀有金属银做电极，外端点处悬挂集中质量，其特征在于：俘能元件通过电极引线与调节电路相连，调节电路由桥式整流器、整流电容器和Buck-Boost型dc-dc转换器组成，Buck-Boost型dc-dc转换器包括晶体管开关、电感(11)和二极管，该转换器的输出电流经充电滤波电容器后把能量储存在储能电池，在整流器闭路阶段，断开与压电梁并联的控制开关，在整流器的开路阶段初期，用于电荷转移的电感(7)的控制开关闭合，该电感与压电梁的等效电容组成L-C振荡回路，控制开关的闭合时间为该振荡回路的半周期。

2. 根据权利要求1所述的俘能器，其特征在于：所述的俘能器的Buck-Boost型dc-dc转换器的占空比可调，俘能结构既能从高水平、也能从低水平的环境振动中提取能量。

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