CN101860260B - 压电振动电池装置 - Google Patents
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Abstract
一种压电振动电池装置，涉及压电发电装置。包括外壳(7)、安装于外壳内侧的若干悬壁板(5)、通过上述悬壁板与外壳相连的质量块(6)；上述悬壁板两面均粘贴有至少一片压电元件(4)；上述外壳(7)内还安装有整流器(10)、充电控制器(11)、储能元件(12)；上述外壳(7)的一端与储能元件(12)相连作为电池正极(8)、另一端与储能元件(12)相连作为电池负极(13)。本发明可以将环境的振动机械能转换成电能，代替普通电池为移动电子设备供电，免于为电池充电或更换电池，减小传统化学电池的使用量。
Description
技术领域
本发明涉及压电发电装置，一种这样的装置，可以将环境的振动机械能转换成电能。
背景技术
压电发电装置可以将周围环境或人体的振动机械能转换成电能，为电子设备供电，使电子设备无需频繁更换电池，或频繁为电池充电，提高了电子设备的免维护性。其典型应用包括为无线传感器或无线传感网络等无线电子设备，或手机、手电筒等可移动式电子设备提供电能，在国防领域和民用领域都具有重要的应用价值。
压电发电的工作原理是基于正压电效应，将环境或人体的振动机械能转换成为电能。根据压电发电装置的结构不同，有碰撞式压电发电和弯曲式压电发电两种发电方式。碰撞式发电是利用压电元件受到碰撞时，应力发生变化，产生电能。而弯曲式压电发电是利用压电元件弯曲的时候，应力发生变化，产生电能。
弯曲式压电发电装置中，压电材料一般都是制成压电悬臂梁结构。比如中国专利CN 100414808C提出了一种压电俘能器，自由端悬挂集中质量块的悬臂梁两面粘贴压电材料，悬臂梁振动时由压电材料输出电能并存储起来，但产生的电能较小，主要用于微电子器件的供电。中国专利CN101017989A也公开了一种为微型无线传感网络节点供电的压电悬臂梁发电系统，其中压电材料仍然粘贴在悬臂梁的上下两面。中国专利CN 101262189A公开了一种利用悬臂梁的压电发电装置，其中压电材料还是粘贴在金属悬臂梁的上下两面。美国专利WO2007121092也描述了主要用于微机电系统(MEMS)供电的的悬臂梁结构的压电能量回收装置。上述的发明专利都是利用单个的压电悬臂梁的机械振动产生电能，由于系统的结构限制，只能把外界的某一频率的机械振动转换成电能，发电效率低，频率范围窄，只能用于微型电子系统的供电。中国专利CN 101272109A 公开了一种利用两组叉指型的多个压电悬臂梁，进行宽频发电装置；其中的压电悬臂梁是由压电元件直接制成，或是由压电元件粘接制成的。中国专利CN1696499A公开了一种压电发电系统，利用压电元件和碰撞机构发生碰撞时，压电元件发生形变，从而产生电能。在上述的压电发电装置中，压电悬臂梁由两种结构形式，一种是直接用元件粘贴在一起，形成压电双晶片悬臂梁结构；另一种是把压电元件粘贴在其它材料悬臂梁的两面，形成三明治结构压电悬臂梁。
美国专利US 7521842 B2公开了一种磁致伸缩/压电电池，把压电材料粘贴在磁致伸缩材料上，当周围的磁场发生变化时，磁致伸缩材料发生变形，使压电材料由于变形产生电能。这种电池必须置于变化的磁场中才能产生电能，而且由于磁致伸缩材料变形量小，电池产生的电能也较小。
发明内容
本发明的目的是将压电发电装置制成电池形状，把自然环境或人体的振动机械能转换成电能，储存在储能元件中，代替传统化学电池，安装在电子设备中，为设备供电。由于环境和人体的振动随处可得，且振动导致压电材料的变形量较大，本发明的压电振动电池装置发电量大、应用范围广。
一种压电振动电池装置，其特征在于：包括外壳、安装于外壳内侧的若干悬壁板、通过上述悬壁板与外壳相连的质量块；上述悬壁板中其中多个平行的悬壁板组成一列，多列悬臂板环绕质量块排列；上述悬壁板两面均粘贴有至少一片压电元件；上述压电元件由第一电极、压电材料、第二电极组成；上述外壳内还安装有用于将所述悬臂板上压电元产生的交流电转换成直流电的整流器、用于将整流器转换的直流电对储能元件装置充电，控制充电电压和电流，并防止储能元件对压电元件反向充电的充电控制器、用于储存电能并通过电极向外供电的储能元件；所有压电元件采用并联或串联方式依次与上述整流器、充电控制器、储能元件相连；上述外壳的一端与与储能元件相连作为电池正极、另一端与储能元件相连作为电池负极。
目前的压电发电专利中，压电元件是整块贴在悬臂梁或悬臂板的两面，本发明中悬臂板的两面粘贴多片压电片，一方面降低了悬臂板的一阶弯曲谐振频率，另一方面也使压电元件在使用过程不易损坏，增加了装置的使用寿命。由于单个 悬臂板表面粘贴的压电元件数量有限，面积较小，所发的电量也较少，本发明将多个两面贴有多片压电片的悬臂板平行排成一列，将个列环绕质量块排列，提高了发电量和空间利用率。
质量块悬空放置，当装置的外壳随环境的振动而发生振动时，质量块沿着自己的轴线发生振动，迫使悬臂板也发生振动，表面发生周期性变形，粘贴在悬臂板表面的压电元件也发生周期性变形，由于压电效应，产生交变电能。压电元件产生的交变电能经过整流器，变换成直流电能，通过充电控制器，储存在储能元件，并通过两个电极，向外供电。电极安装在装置外壳上，可以很方便地对外供电。
装置中悬臂板上所有压电元件串联或并联联接。如果是串联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电压增大一倍，电流不变；如果是并联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电流增大一倍，电压不变。具体的联接方式，可以根据输出电量的需求决定。
上述整流器、充电控制器和储能元件可以都安装在质量块上。既节省了空间，又增加了质量块的质量。
上述质量块还可通过弹性绳索或弹簧分别与外壳顶部和底部连接。当环境的振动幅度过大时，会导致质量块的振动幅度过大，容易使压电元件发生破裂，发电量下降。为了避免这种情况的发生，质量块和装置外壳之间用弹性绳索或弹簧相连，长度长于静止状态时质量块和装置外壳间的距离。当环境振动幅度过大时，绳索就起到保护压电元件的作用。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为压电元件的结构示意图。
图2为悬臂板的正视图。
图3为悬臂板的俯视图。
图4为压电振动电池的剖面俯视图。
图5为压电振动电池的结构示意图。
图6为悬臂板固定于质量块的局部放大图。
图7为悬臂板固定于装置外壳的局部方大图。
图中标号名称：1、第一电极，2、压电材料，3、第二电极，4、压电元件5、悬壁板，6、质量块，7、外壳，8、电池正极，9、弹性绳索或弹簧，10、整流器，11、充电控制器，12、储能元件，13、电池负极
具体实施方式
图1描述了压电元件的结构，压电元件包括压电材料2、第一电极1和第二电极3。其中的第一电极1和第二电极3涂镀在压电材料的两面，压电材料位于2个电极的中间，类似三明治结构；压电材料的极化方向平行于厚度方向。由于正压电效应，当压电元件受到应力应变时，将在电极上产生电荷和电压。
图2和图3描述了两面粘贴了多片压电元件的悬臂板结构的正视图和俯视图，至少一个压电元件4通过胶层地粘贴在悬臂板5上。悬臂板的弯曲谐振频率由悬臂板、压电元件的材料、结构尺寸共同决定。当悬臂板发生振动时，粘贴在悬臂板上的压电元件将受到交变的应力，在压电元件的电极上产生电荷和电压，将振动机械能转换成电能。如果悬臂板发生谐振，则压电元件的受到的应力将达到极大值，压电元件产生的电量也会达到极大值。
图4和图5描述了压电振动电池的剖面俯视图和正视图，至少两个相互平行的悬臂板组成一列，多列悬臂板环绕质量块6排列。整流器10、充电控制器11和储能元件12安装在质量块上。质量块的两端通过弹性绳索或弹簧和装置外壳相连，长度长于静止状态时质量块和装置外壳间的距离，当装置外壳的振幅过大时，可以抑制质量块的振幅，避免压电元件损坏。电源正极8和电源负极13安装在装置外壳上。
整个装置的电气连接方式是：所有压电元件用串联或并联方式连接到整流器10，整流器10连接到充电控制器11，充电控制器11连接到储能元件12，储能元件连接到电源正极8和电源负极13。
图6描述了悬臂板5一端固定在质量块6上，一端搭在装置外壳7的凹槽中。
图7描述了悬臂板5一端固定在装置外壳7上，一端搭在质量块6的凹槽中。图6和图7描述的结构，在质量块发生振动时，驱使悬臂板也发生振动，悬臂板 的表面产生振动变形，粘贴在悬臂板表面的压电也将产生振动变形，由于压电效应，压电元件将振动机械能转换成交变电能，输出到整流器10；整流器10将交变电能转换成直流电能，通过充电控制器11，对储能元件12充电；储能元件12储存电能后，通过电源正极8和电源负极13向外供电。
本领域技术人员可以理解，本发明的压电振动电池，其中，悬臂板的材料、形状、尺寸，每个悬臂板上压电元件的数量，悬臂板和质量块、装置外壳的连接方式，压电元件的电气连接方式，可以根据具体情况进行调整。压电材料可由压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。
虽然以上文字已参照特定的实施例和本发明的例子描述了本发明，但本发明不限于以上描述的实施例。按照本发明的技术原理，本领域普通技术人员参照上述技术原理实施例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。
上述压电元件中压电材料2为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或几种组合制成。
上储能元件12为可充电电池或电容。
Claims (6)
1.一种压电振动电池装置，其特征在于：
包括外壳(7)、安装于外壳内侧的若干悬壁板(5)、通过上述悬壁板与外壳相连的质量块(6)；
上述悬壁板中多个平行的悬壁板组成一列，多列悬臂板环绕质量块排列；
上述悬壁板两面均粘贴有至少一片压电元件(4)；上述压电元件由第一电极(1)、压电材料(2)、第二电极(3)组成；上述外壳(7)内还安装有用于将所述悬臂板上压电元件产生的交流电转换成直流电的整流器、用于将整流器转换的直流电对储能元件装置充电，控制充电电压和电流，并防止储能元件对压电元件反向充电的充电控制器、用于储存电能并通过电极向外供电的储能元件；所有压电元件采用并联或串联方式依次与上述整流器(10)、充电控制器(11)、储能元件(12)相连；
上述外壳(7)的一端与储能元件(12)相连作为电池正极(8)、另一端与储能元件(12)相连作为电池负极(13)。
2.根据权利要求1所述的压电振动电池装置，其特征在于：上述整流器(10)、充电控制器(11)和储能元件(12)都安装在质量块上。
3.根据权利要求1所述的压电振动电池装置，其特征在于：上述质量块(6)通过弹性绳索或弹簧(9)分别与外壳(7)顶部和底部连接。
4.根据权利要求1所述的压电振动电池装置，其特征在于：所述悬臂板(5)一端固定在外壳(7)上，另一端搭在质量块(6)上；或悬臂板的一端固定在质量块(6)上，另一端搭在装置外壳(7)上。
5.根据权利要求1所述的压电振动电池装置，其特征在于：上述压电元件中压电材料(2)为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或几种组合制成。
6.根据权利要求1所述的压电振动电池装置，其特征在于：储能元件(12)为可充电电池或电容。
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