CN102437776A - 一种压电俘能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种俘能装置，尤其是一种压电俘能装置。所述压电俘能装置包括压电双晶片悬臂、整流电路、DC-DC调节电路、储能元件以及导线。压电双晶片悬臂产生的交流电经整流电路转换为直流电后，再经过DC-DC调节电路的阻抗匹配得到的直流电为负载供电。通过调节DC-DC调节电路中MOS管的占空比，实现对直流变换器平均输入电阻的调节，从而实现与压电俘能元件的阻抗匹配，进而提高压电俘能装置的输出功率。

Description

一种压电俘能装置

技术领域

本发明涉及一种俘能装置，尤其是一种压电俘能装置。

背景技术

随着信息时代的到来，各类微电子、无线网络传感器和MEMS等低功耗产品得到了大力发展，目前它们主要的供能方式是电池，但是电池方式存在着诸多弊端，如电池寿命有限，需要定时更换，有时会受到环境的限制而造成更换电池困难。环境存在丰富的低频机械振动能，如果能从周围环境中收集能量，将能为微功耗电子产品提供可靠的电能供给。压电式的振动俘能方式因具有较高的功率密度，无需外界电源，不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现结构的小型化、集成化等优点，被广泛应用于环境振动能量的收集。压电俘能装置具有输出电压高、电流小、内阻大的特点。由于压电器件本身机电耦合系数一般较低，从而造成了压电能量收集装置的机电能量转换的工作效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种压电俘能装置。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种压电俘能装置包括：压电双晶片悬臂、整流电路、DC-DC调节电路、储能元件；其中：所述压电双晶片悬臂通过导线与整流电路的输入端连接，整流电路的输出端与DC-DC调节电路的输入端连接，DC-DC调节电路的输出端与储能元件连接。

所述压电俘能装置中，所述DC-DC调节电路包括：直流变换器和脉冲触发电路，脉冲触发电路的输出端与直流变换器中MOS管的门极连接；

所述脉冲触发电路包括：比较器，第一电阻、第二电阻、第三电阻，第二电容，第一二极管、第二二极管，可调电阻，第一电阻的一端接直流电源，第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第三电阻的一端分别与比较器的正输入端连接，第二电阻的另一端接地，可调电阻的可调端与比较器的输出端相连接，可调电阻的一端与第一二极管的阴极连接，可调电阻的另一端与第二二极管的阳极连接，第一二极管的阳极、第二二极管的阴极、第二电容的正极分别与比较器的负输入端连接，第二电容的负极接地；

所述直流变换器包括：第一电容、第三二极管、电感、MOS管，第一电容的正极与MOS管的漏极连接，MOS管的源极与电感的一端以及第三二极管的阴极连接，第三二极管的阳极与电感的另一端构成直流变换器的输出端。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：提高了压电俘能装置的工作效率，增加了压电俘能装置的输出功率。

附图说明

图1为压电俘能装置结构的示意图。图中标号说明：1为基座，2为弹性层，3和4为压电层，5为质量块，6和7为导线，8为整流电路，9为DC-DC调节电路，10为储能元件。

图2为DC-DC调节电路的电路图。图中标号说明：R₁为第一电阻、R₂为第二电阻、R₃为第三电阻，C₁为第一电容，C₂为第二电容，L为电感，D₁为第一二极管、D₂为第二二极管，D₃为第三二极管，R_w为可调电阻，R_w1为可调电阻R_w的上半端，R_w2为可调电阻R_w的下半端。

图3为占空比D变化对Buck-boost变换器的平均输入电阻的示意图。

图4为Buck-boost变换器效率随加速度变化的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的压电俘能装置，包括压电双晶片悬臂、整流电路8、DC-DC调节电路9、储能元件10以及导线6和7。压电双晶片有压电层3、4和弹性层2。弹性层2超出压电层的部分插入到基座1内，称为固定端，以便对悬臂梁进行固定。与固定端相对应的悬臂梁的另一端称为自由端，在悬臂梁的自由端固定有质量块5。压电层3、4和弹性层2通过504万能胶粘接在一起，为了不影响导电性，在粘接的时候，在不影响粘结强度的前提下，粘结层要做到越薄越好。在压电层表面镀有金属电极，压电俘能元件的输出电能通过导线6、7引出。由于压电俘能元件输出电能为交流电，负载所需的为交流电，因此需要通过整流电路8将压电俘能元件的输出电能整定为直流电。DC-DC调节电路9用于实现对压电俘能元件的阻抗匹配。

DC-DC调节电路的拓扑结构有Buck、boost、Flyback及Buck-boost等，但是Buck-boost相比其它拓扑结构相比结构简单，且能够实现升降压，能够满足不同负载的电压需求，采用Buck-boost直流变换器的DC-DC调节电路如图2所示，包括：直流变换器和脉冲触发电路，脉冲触发电路的输出端与直流变换器中MOS管的门极连接。

Buck-boost变换器包括：第一电容C₁、第三二极管D₃、电感L、MOS管，第一电容C₁的正极与MOS管的漏极连接，MOS管的源极与电感L的一端以及第三二极管D₃的阴极连接，第三二极管D₃的阳极与电感L的另一端构成直流变换器的输出端。

当Buck-boost变换器工作在不连续电流模式(Discontinuous Current Mode，DCM)时，其平均输入电阻为

$R_{\mathrm{in}}=\frac{2{\mathrm{Lf}}_{\mathrm{sw}}}{D^2}---\left(1\right)$

由式(1)可知，Buck-boost变换器的平均输入电阻只与Buck-boost变换器的电感L、MOSFET开关管的开关频率f_sw和及占空比D有关，而与输入电压及负载电阻等无关。因此，当电感及开关频率确定后，通过调节占空比D的大小就可实现对Buck-boost变换器平均输入电阻的调节，从而实现与压电俘能元件的阻抗匹配。

当不考虑Buck-boost变换器的内部损耗时，负载上获得的有功功率为

$P_o=\frac{V_{\mathrm{rect}}^2\×D^2}{2L{f}_{\mathrm{sw}}}=\frac{V_{\mathrm{rect}}^2}{R_{\mathrm{in}}}=P_{\mathrm{in}}---\left(2\right)$

式中V_rect为Buck-boost变换器的输入电压。由式(2)可知，Buck-boost变换器的负载上的有功功率就等于Buck-boost变换器输入端的有功功率，而与负载阻值的大小无关，，这说明变换器对负载起到了隔离作用，消除了因负载阻值变化给压电俘能元件的输出功率带来的影响，使压电俘能元件的输出功率能够一直保持最大化。

脉冲触发电路包括：比较器，第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃，第二电容C₂，第一二极管D₁、第二二极管D₂，可调电阻R_w，第一电阻R₁的一端接直流电源，第一电阻R₁的另一端、第二电阻R₂的一端、第三电阻R₃的一端分别与比较器的正输入端连接，第二电阻R₂的另一端接地，可调电阻R_w的可调端与比较器的输出端相连接，可调电阻R_w的上半端R_w1与第一二极管D₁的阴极连接，可调电阻R_w的下半端R_w2与第二二极管D₂的阳极连接，第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阴极及第二电容C₂的正极分别与比较器的负输入端连接，第二电容C₂的负极接地。其中：第二电容C₂为可调电容。

脉冲触发电路用于实现控制开关管MOSFET的导通与关断，并控制占空比的大小。脉冲触发电路输出信号的频率f_sw和占空比D分别为

$f_{\mathrm{sw}}=\frac{1}{R_w{C}_2\ln 2(1-V_f)}=\frac{1}{(R_{w1}+R_{w2})C_2\ln 2(1-V_f)}---\left(3\right)$

V_f为二极管D₁、D₂的导通管压降，由式(3)可知通过调节可变电容C₂就可以实现调节f_sw。D＝R_w2/(R_w1+R_w2)＝R_w2/R_w    (4)

由式(4)可知，占空比D的大小可以通过调节可变电阻R_w来实现，当调节可变电阻R_w时，R_w2同时被改变，而可变电阻R_w的阻值大小是不变的，从而实现了对占空比D的调节。储能元件10用来存储压电俘能元件的输出电能，以便供给负载使用，储能元件可以是充电电池或者超级电容。

压电层所用材料为PZT-51型压电陶瓷，弹性层的材料为不锈钢。悬臂梁的结构参数：弹性层的尺寸为60mm×7mm×0.4mm，压电层尺寸为45mm×7mm×0.3mm。质量块的材料为铅，其质量为10g。电路参数如下：电路中的所有二极管D₁、D₂所用型号为肖特基二极管BAT48，电感L值为4.7mH，开关管MOSFET的器件型号为BSS138，比较器所用为LMC7215，储能元件为超级电容。Buck-boost变换器的等效输入电阻与压电俘能元件的等效阻抗之间的关系如图3所示。由图3以看出，调节Buck-boost变换器的占空比D的大小，Buck-boost变换器的等效输入电阻也在变化，在D＝2.1％时，Buck-boost变换器的等效输入电阻与压电俘能元件的等效阻抗相等，从而实现了阻抗匹配。图4说明了系统功率及Buck-boost变换器效率随加速度变化的关系。在加速度的0.2m/s²～2m/s²的变化范围内，Buck-boost变换器的效率在74.6％～85％之间，说明采用Buck-boost变换器阻抗匹配后，能够有效提高负载功率的大小。

本发明所涉及的压电俘能装置依据阻抗匹配原理，在负载电阻与电源内部的阻抗相匹配时，负载获得的功率最大。对于压电俘能元件根据机电等效和类比的原理可以等效为一个与电容相并联的电流源。为了使压电元件的输出功率最大，必须要保证负载电阻与压电元件的内部阻抗相匹配，但是在实际应用中，由于负载的多种多样，负载的电阻值也是不尽相同的，利用DC-DC变换器可以实现与压电元件的阻抗匹配，从而达到负载功率最大化的目的。

Claims (2)

1.一种压电俘能装置，其特征在于包括：压电双晶片悬臂、整流电路、DC-DC调节电路、储能元件；其中：所述压电双晶片悬臂通过导线与整流电路的输入端连接，整流电路的输出端与DC-DC调节电路的输入端连接，DC-DC调节电路的输出端与储能元件连接。

2.根据权利要求1所述的压电俘能装置，其特征在于所述DC-DC调节电路包括：直流变换器和脉冲触发电路，脉冲触发电路的输出端与直流变换器中MOS管的门极连接；

所述脉冲触发电路包括：比较器，第一电阻、第二电阻、第三电阻，第二电容，第一二极管、第二二极管，可调电阻，第一电阻的一端接直流电源，第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第三电阻的一端分别与比较器的正输入端连接，第二电阻的另一端接地，可调电阻的可调端与比较器的输出端相连接，可调电阻的一端与第一二极管的阴极连接，可调电阻的另一端与第二二极管的阳极连接，第一二极管的阳极、第二二极管的阴极、第二电容的正极分别与比较器的负输入端连接，第二电容的负极接地；

所述直流变换器包括：第一电容、第三二极管、电感、MOS管，第一电容的正极与MOS管的漏极连接，MOS管的源极与电感的一端以及第三二极管的阴极连接，第三二极管的阳极与电感的另一端构成直流变换器的输出端。

Images