CN101340160B - 基于压电材料的多方向振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于压电材料的多方向振动能量收集装置，属于振动能量收集技术领域。它包括由立体支架(1)、质量球(2)，n根分别将质量球(2)与立体支架连接起来的能量转换条(3)构成的机电转换装置。还包括由多路并联后与充电电池相连的能量收集电路，及与能量收集电路连接的开关控制电路构成的多源异相充电控制电路。本发明能够在多方向振动的情况下能够高效率收集振动能量。
Description
技术领域
本发明涉及一种能将外界振动能量转化为电能的装置，尤其是在不同的振动环境下，该装置可以将多方向的振动能量有效地进行收集。该专利属于振动能量收集技术领域。
背景技术
目前，已有的关于振动能量回收的装置收集的能量主要是单方向的，如悬臂梁结构、bimorph结构、圆膜结构等，其方向选择性很强，在存在各种方向随机振动的情况下，这种方法收集的能量将非常有限。方向的选择性带来的另一问题是，在安装能量收集器时，必须注意环境振动的方向，这有时候需要专业人员才能完成。即使在安装的时候考虑到主要的环境振动方向，一旦环境发生变化，该系统的性能也将大幅下降。
发明内容
本发明目的在于弥补现有技术中振动能量回收装置只能敏感某个固定方向振动，振动能量收集效率不高等缺陷，提供一种无论振动的方向如何改变，或者在存在多方向振动的情况下都能够高效率收集到振动能量的基于压电材料的多方向振动能量收集装置。
基于压电材料的多方向振动能量收集装置包括包括机电转换装置，其中机电转换装置由立体支架、位于立体支架中心的质量球，n根分别将质量球与立体支架连接起来的能量转换条构成；上述的每根能量转换条均由预弯弹性材料芯层及压电材料层组成；上述压电材料层上布置有能量收集电极；还包括与上述能量收集电极连接的多源异相充电控制电路，它包括n路并联后与充电电池相连的能量收集电路，及与能量收集电路连接的开关控制电路；其中每路能量收集电路依次由压电材料等效电路、同步开关电感电路、全波整流电路、同步电荷提取电路、防回流二极管组成；其中所述开关控制电路包括两路电压比较电路，其两路电压比较电路各自输出端通过上拉电阻接入异或门，异或门输出端分成两路，一路与能量收集电路中同步开关电感电路及同步电荷提取电路中的开关相连，另一路通过下拉电阻接地。
上述基于压电材料的多方向振动能量收集装置，可以为：所述的n根能量转换条分别将质量球与立体支架的n个顶角连接起来的，组成对称结构。
上述基于压电材料的多方向振动能量收集装置，还可以具有自适应改变换能结构上的电压，以改变其刚度，进而改变整个立方体-球结构的共振频率的自适应调谐控制电路；所述的预弯弹性材料芯层布置有调谐控制电极。
上述能量转换条上的压电材料层可以为双层结构，即芯层两侧均覆有压电材料层。所述的压电材料可以选择质地柔软、变形大、可以产生较大电荷输出的PVDF材料，即聚偏二氟乙烯。
本发明提出一种可以进行多方向振动能量的结构，该结构配合多个压电换能元件及其充电控制电路，使不同方向的振动能量都能够得到收集，并储存于储能源元件中。同时在充电电路方面采用一种多源异相充电控制电路。由于二极管的单向导电特性，设计一种灌入式充电电路，所有单个能量转换条经转换后都可以通过二极管接到储能元件上。在单路充电电路的设计上将已有的同步开关电感法和同步电荷提取法结合起来，实现能量转换的最优。由于能同时回收到多个压电转换条上的能量，因而可以大幅提高能量的转化效率。可以供给各种自治型系统的电能。采用对称结构则结构及电路相对简单。能量转换条采用两侧都覆盖有压电材料的双层结构，可以使其在相同条件下比常规压电材料具有更大的电压输出。
本发明的有益效果是在使用过程中适应性强，在不知道环境振动方向和特性的情况下，也可以安装使用，环境振动方向变化对其影响很小，同时能够对多个方向的振动能量进行收集，并且由于采用了多通道能量回收电路，使得回收的效率大大提高。
附图说明
图1是本发明提出的立方体-球能量回收结构示意图。
图2是本发明提出的预弯曲Rainbow形PVDF双层能量转换条。
图3是PVDF材料上电极的分布情况。
图4是本发明所设计的多源异相充电控制电路。
图中标号名称：1、立方体支架，2、质量球，3、能量转换条，4、弹性基底，5、PVDF薄膜，6、调谐控制电极，7、能量收集电极，8、压电材料等效电路，9、同步开关电感电路，10、全波整流电路，11、同步电荷提取电路，12、防回流二极管。
具体实施方式
结合图1所示，本发明的基于压电材料的多方向振动能量收集装置，包括机电转换装置，其中机电转换装置由立体支架1、位于立体支架中心的质量球2，n根分别将质量球2与立体支架连接起来的能量转换条3构成；上述的每根能量转换条3均由预弯弹性材料芯层及压电材料层组成；上述压电材料层上布置有能量收集电极7；还包括与上述能量收集电极7连接的多源异相充电控制电路，它包括n路并联后与充电电池相连的能量收集电路，及与能量收集电路连接的开关控制电路；其中每路能量收集电路依次由压电材料等效电路8、同步开关电感电路9、全波整流电路10、同步电荷提取电路11、防回流二极管12组成；其中所述开关控制电路包括两路电压比较电路，其两路电压比较电路各自输出端通过上拉电阻接入异或门，异或门输出端分成两路，一路与能量收集电路中同步开关电感电路及同步电荷提取电路中的开关相连，另一路通过下拉电阻接地。如图1所示该立体支架为正立方体结构，即有8根能量转换条分别将质量球2与立体支架的8个顶角连接起来。
本能量收集装置包括两个主要部分，第一部分是将多方向的机械振动能转化为电能的结构，第二部分是将电能存储到储能元件的电路部分，下面分别加以叙述：
机电转换结构优化
在将多方向机械振动能量转化为电能的立方体-球结构中，如图1所示，立方体支架以及质量球可以看作是刚体，能量转换条中的应力应变情况必须考虑.因此，需要用ADAMS建立整个结构的刚柔混合动力学模型，模拟较复杂的动态情况，并将动力学计算结果送到MSC.Nastran中，深入研究结构的动力学响应.通过以上分析研究不同方向振动作用下的振动和能量传递规律，以及不同结构参数下振动能量的传递规律.以典型的公路桥梁振动环境作为本能量收集系统的输入激励，建立不同参数包括质量球质量和直径，压电能量转换条几何和力学参数等变化下的能量输出关系.以各能量转换条输出的总的能量最高为目标函数，优化结构的参数.将遗传算法(GA，Genetic Algorithm)或粒子群优化算法(PSO，ParticleSwarm Optimization)与有限元分析方法相结合进行优化.在进行动力学分析时，可以先将能量转换条的作用简化成阻尼加弹簧的共同作用，以确定阻尼系数和弹性系数等优化参数.在对能量转换效率进行实验分析时，立方体-球结构所获得的机械能可以通过测量其所受的各方向加速度，通过计算得到.而要测量实际输出的电能，在不考虑后面充电电路的情况下，可以将每路的输出单独分别接电阻负载进行测量再将其相加即可.
能量转换条采用双层PVDF复合材料，其结构如图2所示.PVDF材料具有质地柔软，变形大，可以产生较大的电荷输出.采用双层PVDF结构，可在相同变形条件下产生更多的能量输出.能量转换条的芯层采用金属弹性材料，其本身可以作为能量收集中的弹簧，同时，金属也可以作为PVDF的一个电极.进行能量转换条研究时，首先应对这种结构的各个参数进行确定.这些参数包括：弯度，上下PVDF层及金属芯层的厚度，长，宽以及金属材料种类等.这需要通过有限元分析软件，建立它们的相应的力-电耦合模型，利用仿真软件对某些环境振动作用下的能量转换进行仿真计算.
如何设计预应力自适应调谐电路
为了实现预应力自适应调谐控制，首先通过分析建立PVDF的压电驱动方程.在假设能量转换条两端相对位移为零的情况下，研究在PVDF上施加电场下转换条的弯曲变化情况以及电场作用下其刚度的变化.利用上面的动力学模型，得到不同弹簧刚度下共振频率的关系式，并由此最终得到施加电压-共振频率的关系式.将输出电压的有效值作为反馈信号，自适应调节控制器的输出控制信号加到PVDF上.通过自寻优，即始终保持转换条上采集到的电压信号有效值最大为目标，进行共振频率调节.通过对比实验，可以评估自适应调谐功能产生的效果.在相同输入激励下，先进行无控下能量收集实验，测量其单位时间内收集到的能量.然后，在有控下完成相应实验，将两组数据进行对比.为了使在调谐控制时加在PVDF上的电压不影响振动激励下PVDF上所产生的电压，在PVDF的同一面上布置两部分各自独立的电极.如图3所示.预应力调谐控制并不需要消耗很多能量，因为其所加电压变化非常缓慢，其上所消耗的能量几乎可以认为只是由于压电元件漏电流所引起.
多源异相充电控制电路的设计
在多源异相充电控制电路的设计中，首先对单个压电能量转换杆对电池进行充电的控制电路进行研究.在研究该电路时先采用同步开关电感法(SSHI)来提高电路从压电片提取电荷的能力，然后采用全桥式整流电路，将双极性交变的信号转换成单极性的信号，再通过一个DC-DC变换器，以提高将能量转移到电池上的效率.其次研究多路能量转换条输出电压信号的特性和相互关系.考虑到二极管的单向导通性，设计一种灌入式充电电路，所有单个能量转换条上的能量通过转换后都可以通过二极管向电池充电，所设计的电路不能实现从其他元件或电路到充电电路的反向放电，这样可以保证充电电路之间不会相互干扰甚至互相抵消.在充电电路中所有开关的时间控制可以通过延时电路来实现，开关的选择采用高输入阻抗的场效应管.充电电路如图4所示.
电路介绍
压电片输出的电荷通过同步开关电感电路提取出来。该电路将一个电感、一个电子开关与压电片串联起来，开关在压电片的电压达到峰值时开启，此时就建立了一个L-C振荡电路。电磁振荡的周期选择的原则是要使得它远小于机械振动的周期，这样在经过很短的时间(半个振荡周期)压电片上的电压极性就被反转过来，所以当压电片继续朝反方向运动时，压电片的电压就可以继续增大，直到它的电压高于储能设备的电压，此时压电片开始对储能设备充电，直到压电片的电压达到负的最大值时，控制信号的电平发生改变；经同步开关电感电路处理后的交变信号通过全波整流电路变成直流信号存储于储能电容中，该储能电容上的电压保证为输入电压的一半，然后再通过同步电荷提取电路实现电压的转换，再通过防回流二极管接入到可充电电池上，这样只要外界的电压高于电池电压就可以进行充电，而当外界电压低于电池电压时，由于二极管的单向导电特性，电池也不会反向放电。
Claims (6)
1.一种基于压电材料的多方向振动能量收集装置，其特征在于：
包括机电转换装置，其中机电转换装置由立体支架(1)、位于立体支架中心的质量球(2)，n根分别将质量球(2)与立体支架连接起来的能量转换条(3)构成；上述的每根能量转换条(3)均由预弯弹性材料芯层及压电材料层组成；上述压电材料层上布置有能量收集电极(7)；
还包括与上述能量收集电极(7)连接的多源异相充电控制电路，它包括n路并联后与充电电池相连的能量收集电路，及与能量收集电路连接的开关控制电路；其中每路能量收集电路依次由压电材料等效电路(8)、同步开关电感电路(9)、全波整流电路(10)、同步电荷提取电路(11)、防回流二极管(12)组成；其中所述开关控制电路包括两路电压比较电路，其两路电压比较电路各自输出端通过上拉电阻接入异或门，异或门输出端分成两路，一路与能量收集电路中同步开关电感电路及同步电荷提取电路中的开关相连，另一路通过下拉电阻接地。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料的多方向振动能量收集装置，其特征在于：所述的n根能量转换条(3)分别将质量球(2)与立体支架的n个顶角连接起来的，组成对称结构。
3.根据权利要求2所述的基于压电材料的多方向振动能量收集装置，其特征在于：所叙述立体支架为正立方体结构，即有8根能量转换条分别将质量球(2)与立体支架的8个顶角连接起来。
4.根据权利要求1所述的基于压电材料的多方向振动能量收集装置，其特征在于：该多方向振动能量收集装置还具有自适应改变换能结构上的电压，以改变其刚度，进而改变整个立方体-球结构的共振频率的自适应调谐控制电路；所述的预弯弹性材料芯层布置有调谐控制电极。
5.根据权利要求1所述的基于压电材料的多方向振动能量收集装置，其特征在于：所述的能量转换条上的压电材料层为双层结构，即芯层两侧均覆有压电材料层。
6.根据权利要求5所述的基于压电材料的多方向振动能量收集装置，其特征在于：所述的压电材料为PVDF材料，即聚偏二氟乙烯。
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