CN103036475A

CN103036475A - 一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路

Info

Publication number: CN103036475A
Application number: CN2012105029488A
Authority: CN
Inventors: 吴义鹏; 季宏丽; 裘进浩
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明公开了一种基于压电材料的振动能量提取电路，包括极值检测电路模块和非线性能量提取电路模块。该极值检测电路能实时检测压电元件中的电荷量的极值，并在极值处输出模拟开关的驱动信号，控制非线性能量提取电路开始或停止工作，将压电材料表面电荷转换成直流电给负载供电。整个电路功能均由模拟电子元器件实现，该自供电能量提取电路能够有效地提高回收装置中机电转换结构的能量密度，同时确保装置在较宽的振动频带范围内均有优良表现。本发明能够广泛的用于能量自给的无线传感器网络节点，能量自给的半主动振动控制系统，以及其它的微功耗独立工作的电子模块。

Description

一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路

技术领域

本发明属于振动能量收集领域，特别是涉及一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路。

背景技术

随着微功耗电子元器件的发展，将传感器和无线通信节点结合在一起的无线传感器网络节点正得到越来越广泛的应用。这些应用可以提高大型机械设备、高速交通工具以及大跨度桥梁等结构的可靠性，降低它们的维护费用。还可以实时有效地监测野外生态环境，如三峡库区的生态监测，确保该地区生态能够及时得到保护。目前来讲，绝大多数无线传感器节点仍采用电池供电，导致节点存在着尺寸大、重量重以及连续工作寿命短等问题。大量的使用电池，也给环境带来了很大污染。由于节点的功耗极低，外界坏境中存在多种类型的能量满足节点的能量消耗。例如太阳能、热能、振动能等等。值得一提的是，在外界系统中，振动能量无处不在并时时刻刻地存在，因此回收这些振动能并将其转换成电能正吸引着大批学者的注意。

将振动能转化成电能一般采用三种方法：电磁式、静电式和压电式。由于压电材料具有较高的能量密度，且便于集成，因此该材料成为了环境振动能量回收技术的首选。

利用压电回收振动能量的装置一般由带压电耦合材料的振荡结构，能量提取电路以及被供电的电子器件组成。然而，目前的振荡结构大多是线性结构，有自身的固有频率，且较难改变。环境的振动频率和结构本身固有频率一致时，才会产生较大的回收功率，一旦频率不一致，回收的功率会急剧降低。因此，很多学者开始致力于非线性结构的研究，使得结构能够在较宽的频带范围内，均能回收较高的能量。这样振动频率就不能确定，但是压电元件又具有电容性，因此等效电路中，相当于供电电源的阻抗不能固定。一般来说如果将“电源”直接和负载连接，负载阻抗必须和“电源”实现阻抗匹配，才能得到较高的功率。利用压电材料的振动能量提取装置显然不能满足这一要求。为了避免这一问题，许多非线性能量提取电路被提了出来，这些电路均能从一定程度上提高发电装置的能量密度，但并非所有的电路都能完全避免阻抗匹配的问题。

目前提出的非线性电路中，均能满足上述要求两点电路并不多，主要有同步电荷提取SECE (Synchronous Electric Charge Extraction), 双同步开关采集DSSH (Doubled Synchronized Switch Harvesting),增强型双同步开关采集 ESSH (Enhanced Synchronized Switch Harvesting)，初始能量注入（Energy Injection）等电路，其中后三种电路均是在同步电荷提取技术的基础上提出来的，即均在压电元件上电荷达到极大值时，一次性完全提取上面的电荷，并将电荷通过电感等电子元件，转移到后续的负载电路中去。这一方法有效的将负载和发电装置隔离了起来，使得负载阻抗和结构回收的功率相对独立。然而，这些电路在理论上非常具有优势，实际实现起来却过于复杂。主要是同步电荷提取SECE技术中涉及到电子开关的闭合时间，该闭合时间在微秒级别并且要求非常精确，在实际能量回收装置中，比较难实现。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决得技术问题是提供一种结构简单、易于实现的基于压电材料的自供电振动能量提取电路。该电路不仅优化了传统的非线性能量提取电路开关闭合时间，而且使回收功率不受环境振动频率的影响，从而提高本发明电路能量回收的能量密度。同时，由于能量回收装置必须独立工作，本电路自身能够提供开关驱动信号来保证其正常工作。

为解决上述技术问题，本发明的作者在同步电荷提取SECE电路的基础上提出了一种优化电路，叫优化同步电荷提取OSECE（Optimized Synchronous Electric Charge Extraction）电路。

本发明的一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路包括非线性能量提取电路和两个结构相同的第一极值检测电路和第二极值检测电路；其中，所述非线性能量提取电路包括两个模拟开关，分别用于控制所述非线性能量提取电路的通断；所述极值检测电路用来检测压电材料由于应变在其表面产生的电荷；

当检测到压电材料表面的电荷量处于极值并开始下降时，分别采用所述第一、第二极值检测电路产生电压信号作用于所述非线性能量提取电路的两个模拟开关上，控制非线性能量提取电路中两个模拟开关的闭合；所述非线性能量提取电路提取压电材料由于应变产生的电荷，并将其转换为直流电压后输出给外接负载。

作为本发明的改进，所述极值检测电路包括第一、第二、第三电阻、第四二极管、微电容以及三极管；其中第一、第二电阻的一端为极值检测电路检测信号输入端，连接所述压电材料的一个表面，所述三极管的基极连接所述第一电阻的另一端，所述三极管的发射极连接第四二极管的阴极、微电容的一端，所述三极管的集电极连接第三电阻的一端；所述第四二极管的阳极连接所述第二电阻的另一端，所述微电容的另一端连接所述第三电阻的另一端并接地；

所述三极管的集电极为极值检测电路的电压信号输出端，当所述极值检测电路检测到压电材料表面由于应变产生的电荷处于极值并开始下降时，微电容电压达到极值后保持不变，此时所述三极管发射极电压大于基极电压，三极管导通，所述极值检测电路输出电压信号到所述非线性能量提取电路。

作为本发明的进一步改进，所述非线性能量提取电路包括一个高品质因数的反激式变压器，以及第一、第二N通道MOS管以及第一、第二、第三整流二极管；其中，所述反激式变压器含有第一、第二原边和一个副边；所述第一整流二极管的阳极分别连接所述压电材料的一个表面和第一极值检测电路的检测信号输入端，第一整流二极管的阴极连接所述反激式变压器的第一原边的一端；所述第一N通道MOS管的漏极连接所述反激式变压器的第一原边的另一端，第一N通道MOS管的源极连接所述压电材料的另一个表面，第一N通道MOS管的栅极连接所述第一极值检电路的电压输出端；所述第二整流二极管的阳极分别连接所述第一N通道MOS管的源极和第二极值检测电路的检测信号输入端，第二整流二极管的阴极连接所述反激式变压器的第二原边的一端；所述第二N通道MOS管的漏极连接所述反激式变压器的第二原边的另一端，第二N通道MOS管的栅极接接所述第二极值检电路的电压输出端；所述反激式变压器的副边的一端连接第三二极管的正极，反激式变压器的副边的另一端接地；电阻性负载或电容性负载并联在所述反激式变压器的副第三二极管的阴极和地之间；当所述第一、第二极值检测电路输出的电压使第一、第二N通道MOS管导通时，所述自供电能量提取电路导通工作，通过高品质因数的反激式变压器将压电材料由于应变产生的电荷量转换成直流电后输送到所述高品质因数的反激式变压器副边电路连接的负载。

本发明电路中的反激式变压器将能量提取电路分成两部分，左边部分包含两个原边线圈以及模拟开关和整流二极管，直接连接到压电元件上面。当振荡结构在外力的作用下发生振动时，压电元件将产生交变的电压信号，电压信号出现极大值时，电路中的模拟开关闭合，和压电元件，第一整流二极管，变压器第一原边线圈组成了一个闭合回路，由于压电元件的电容性，该电路类似于LC振荡电路，电路中的电荷将会在压电元件和变压器第一原边线圈之间来回交替变化。相对于环境振动周期，非线性能量提取电路中左边部分LC振荡电路的振荡周期其实非常短，一般低于环境振动周期的二十分之一。而压电元件处于振荡周期的时间每次均在四分之一到二分之一个振荡周期之间，更加远远低于环境振动周期。因此大部分时间中，压电元件均处于开路状态。该技术只要实现在压电元件电压达到极值时，触发模拟开关并保证其闭合时间长于二分之一个振荡周期即可。相对于同步电荷提取SECE技术中需要精确计算开关闭合时间，本发明中的优化同步电荷提取OSECE技术大大优化了开关控制策略。同样相比于同步电荷提取SECE电路，在压电材料上电压达到极值时，会将全部的电荷提取走，该电路只提取了部分电荷，还有部分电荷仍然回流到压电元件中。这样做的好处就是能人为增加压电元件上的电压，在下一次提取时，压电元件由于机电耦合得到的电荷将会更多，进而相当于提高了压电元件的能量密度。该电路实现简单并且变压器可以独立出来保证电路能更小型化，同时该电路优化了装置的回收功率，为无线传感器节点，半主动振动控制器等电子模块能独立工作提供了可靠的技术解决方案。

附图说明

图1是自供电能量提取电路的原理图；

图2显示的是本发明提出的非线性能量提取电路、标准提取电路、同步电荷提取SECE电路的回收功率曲线图；

图3是极值检测器电路原理图；期中，R1-R3为第一至第三电阻，D4为第四二极管，T为三极管，C为微电容；

图4是基于压电材料的自供电振动能量提取电路电路图；

其中： R11、R12、R13为第一极值检测电路的第一至第三电阻，R21、R22、R23为第二极值检测电路的第一至第三电阻， D11为第一极值检测电路的第一整流二极管， D21为第二极值检测电路的第二整流二极管，C11、C21分别为第一、第二极值检测电路微电容，T11、T21为第一、第二极值检测电路的三极管，D1、D2、D3为能量提取电路的第一至第三二极管， L1、L2为高品质反激式变压器第一、第二原边线圈，L3为高品质反激式变压器副边线圈，S1、S2为第一、第二N通道MOS管，Cr是电容性负载，Rl是电阻性负载。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

如图1所示，本实施例的基于压电材料的自供电振动能量提取电路由非线性能量提取电路和两个结构相同的极值检测模块组成。电路中的反激式变压器将能量提取电路分成两部分，左边部分包含两个原边线圈L1、L2以及模拟开关S1、S2和整流二极管D1、D2，直接连接到压电元件上面。当振荡结构在外力的作用下发生振动时，压电元件将产生交变的电压信号，电压信号出现极大值时，电路中的模拟开关S1闭合，和压电元件，整流二极管D1，变压器线圈L1组成了一个闭合回路，由于压电元件的电容性，该电路类似于LC振荡电路，电路中的电荷将会在压电元件和电感L1之间来回交替变化。在开关S1闭合的一瞬间，由于压电元件上的电压处于极值，电荷会迅速地向电感L1上转移，当电荷转移完毕时，电路中的电流达到极大值，此时由于开关S1仍处于闭合状态，电感中的电荷将会回流到压电元件中。由于触发电子开关的电压值需要达到或大于一个电压阀值，所以并不是压电元件上每个电压极值信号，电子开关都闭合，在压电元件上电压值低于该阀值的局部极值处，能量提取电路不做任何反映，这就避免了因开关切换过于频繁而过多地损失能量。由于变压器的原理，原边电压和副边电压成正比关系，比值是-m（m是变压器中原边线圈和副边线圈的匝数比）。此时看右边的电路，一旦副边线圈上的电压达到直流电压值V_DC，副边电压将不再变化。这样原边电压也将保持不变。由于结构振动仍在继续，压电材料上产生的电压此时仍将减小，这样连接在电路中的整流二极管将立即处于反向截止状态，将该LC振荡电路断开。所以虽然开关仍处于闭合状态，但已经电路断开，此时线圈L1上的电荷将不再回流到压电元件上。此刻仍储存在线圈L1中的电能将通过变压器完全转移到后续的负载电路中去。当压电元件上电压信号出现极小值时，其将和模拟开关S2，整流二极管D2，变压器线圈L2组成了一个闭合回路，整个过程和上述步骤类似。

相对于环境振动周期，非线性能量提取电路中左边部分LC振荡电路的振荡周期其实非常短，一般低于环境振动周期的二十分之一。而压电元件处于振荡周期的时间每次均在四分之一到二分之一个振荡周期之间，更加远远低于环境振动周期。因此大部分时间中，压电元件均处于开路状态。由上述介绍可知，该技术只要实现在压电元件电压达到极值时，触发模拟开关并保证其闭合时间长于二分之一个振荡周期即可。相对于同步电荷提取SECE技术中需要精确计算开关闭合时间，本发明中的OSECE技术大大优化了开关控制策略。同样相比于同步电荷提取SECE电路，在压电片上电压达到极值时，会将全部的电荷提取走，该电路只提取了部分电荷，还有部分电荷仍然回流到压电元件中。这样做的好处就是能人为增加压电元件上的电压，在下一次提取时，压电元件由于机电耦合得到的电荷将会更多，进而相当于提高了压电元件的能量密度。这也是图2中显示通过OSECE电路，回收功率比SECE电路高的原因。

从理论推导以及图2的结果图可以看到，OSECE能在相当宽一段阻抗范围内回收到较高的功率，甚至比利用SECE技术回收的功率还要高，再综合其自身电路和开关控制策略简单等特点，明显可以看出其比SECE技术有优势。另外改变OSECE电路中变压器的匝数比，就能改变负载阻抗的匹配范围，且匝数比m的值越大，阻抗变化范围越大。尽管这样，由于大的m值会增加变压器转换过程中的损失，该损失并没有完全考虑在理论模型中，因此结合实际经验，m值设计成1到5之间比较合适。

图3为极值检测电路图，以检测极大值为例，压电元件中的电压信号V₁直接作为输入信号进入该模块，其中三极管T的基极电压和输入信号的电压V₁保持一致，发射极电压和电容C上的电压V₂一致。当输入信号增加时，R₂C电路处于充电状态，由于该电路的时间常数远远小于环境振动周期，因此输入信号达到极大值时，电容C上的电压V₂也达到极大值。当V₁到达极大值并开始下降时，由于R₂C电路中存在一个二极管D₄，V₂上面的电压将保持不变。此时一旦V₂与V₁之间（三极管发射极与基极）的电压差达到三极管饱和导通的条件，三极管立刻饱和导通，输出信号立刻等于此时电容上V₂的大小，也是图中所示的极大值信号，该电压值一旦大于电子开关的阀值电压，开关将立刻闭合。如果三极管处于截止状态，则输出信号为0V，模拟开关处于闭合状态。在理论分析中，并没有过多考虑实际电路中二极管和三极管的死区电压，但该物理现象的确存在，因此极大值触发信号相对于装置中振动的极大值，有一个相位延迟。通过理论分析，该相位延迟的大小主要与死区电压值，压电元件电容值，压电元件力电耦合因子以及结构振动的位移幅值有关。该相位延迟只降低装置的能量回收密度。一般来说，相位延迟在40°以内是被允许的，此时能量密度大约降低30%。该现象是本自供电电路特有的现象，即说明该自供电电路不消耗电能（实际消耗的电能极低，已被实验证实）。由于其他自供电电路，例如速度信号自供电电路，数字自供电电路均会消耗额外的电能（运放，微处理器等），因此在常见的外部激振力大小一定的应用环境中，本发明提出的自供电电路更具有应用价值。

图4所示为本发明所提电路的实际电路图，本发明的基于压电材料的自供电振动能量提取电路包括非线性能量提取电路和两个结构相同的第一极值检测电路和第二极值检测电路。其中，非线性能量提取电路包括两个模拟开关，分别用于控制非线性能量提取电路的通断；极值检测电路用来检测压电材料由于应变在其表面产生的电荷。

当检测到压电材料表面的电荷量处于极值并开始下降时，分别采用第一、第二极值检测电路产生电压信号作用于非线性能量提取电路的两个模拟开关上，控制非线性能量提取电路中两个模拟开关的闭合。非线性能量提取电路提取压电材料由于应变产生的电荷，并将其转换为直流电压后输出给外接负载。

极值检测电路包括第一、第二、第三电阻、第四二极管、微电容以及三极管。其中第一、第二电阻的一端为极值检测电路检测信号输入端，连接压电材料的一个表面，三极管的基极连接第一电阻的另一端，三极管的发射极连接第四二极管的阴极、微电容的一端，三极管的集电极连接第三电阻的一端。第四二极管的阳极连接第二电阻的另一端，微电容的另一端连接第三电阻的另一端并接地。

三极管的集电极为极值检测电路的电压信号输出端，当极值检测电路检测到压电材料表面由于应变产生的电荷处于极值并开始下降时，微电容电压达到极值后保持不变，此时三极管发射极电压大于基极电压，三极管导通，极值检测电路输出电压信号到非线性能量提取电路。

非线性能量提取电路包括一个高品质因数的反激式变压器，以及第一、第二N通道MOS管以及第一、第二、第三整流二极管。其中，反激式变压器含有第一、第二原边和一个副边。第一整流二极管的阳极分别连接压电材料的一个表面和第一极值检测电路的检测信号输入端，第一整流二极管的阴极连接反激式变压器的第一原边的一端。第一N通道MOS管的漏极连接反激式变压器的第一原边的另一端，第一N通道MOS管的源极连接压电材料的另一个表面，第一N通道MOS管的栅极连接第一极值检电路的电压输出端。第二整流二极管的阳极分别连接第一N通道MOS管的源极和第二极值检测电路的检测信号输入端，第二整流二极管的阴极连接反激式变压器的第二原边的一端。第二N通道MOS管的漏极连接反激式变压器的第二原边的另一端，第二N通道MOS管的栅极接接述第二极值检电路的电压输出端。反激式变压器的副边的一端连接第三二极管的正极，反激式变压器的副边的另一端接地。电阻性负载或电容性负载并联在反激式变压器的副第三二极管的阴极和地之间。当第一、第二极值检测电路输出的电压使第一、第二N通道MOS管导通时，自供电能量提取电路导通工作，通过高品质因数的反激式变压器将压电材料由于应变产生的电荷量转换成直流电后输送到高品质因数的反激式变压器副边电路连接的负载。

可见当压电片信号和地电平交换时，该极值探测模块即能够探测极小值，并驱动电子开关。值得指出的时，电路中压电片的负端，负载地，以及模拟开关参考地电平可以共一个地，无疑大大简化了能量回收装置的实现难度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路，其特征在于：包括非线性能量提取电路和两个结构相同的第一极值检测电路和第二极值检测电路；其中，所述非线性能量提取电路包括两个模拟开关，分别用于控制所述非线性能量提取电路的通断；所述极值检测电路用来检测压电材料由于应变在其表面产生的电荷；

2.根据权利要求1所述的基于压电材料的自供电振动能量提取电路，其特征在于：所述极值检测电路包括第一、第二、第三电阻、第四二极管、微电容以及三极管；其中第一、第二电阻的一端为极值检测电路检测信号输入端，连接所述压电材料的一个表面，所述三极管的基极连接所述第一电阻的另一端，所述三极管的发射极连接第四二极管的阴极、微电容的一端，所述三极管的集电极连接第三电阻的一端；所述第四二极管的阳极连接所述第二电阻的另一端，所述微电容的另一端连接所述第三电阻的另一端并接地；

3.根据权利要求2所述的基于压电材料的自供电振动能量提取电路，其特征在于：所述非线性能量提取电路包括一个高品质因数的反激式变压器，以及第一、第二N通道MOS管以及第一、第二、第三整流二极管；其中，所述反激式变压器含有第一、第二原边和一个副边；所述第一整流二极管的阳极分别连接所述压电材料的一个表面和第一极值检测电路的检测信号输入端，第一整流二极管的阴极连接所述反激式变压器的第一原边的一端；所述第一N通道MOS管的漏极连接所述反激式变压器的第一原边的另一端，第一N通道MOS管的源极连接所述压电材料的另一个表面，第一N通道MOS管的栅极连接所述第一极值检电路的电压输出端；所述第二整流二极管的阳极分别连接所述第一N通道MOS管的源极和第二极值检测电路的检测信号输入端，第二整流二极管的阴极连接所述反激式变压器的第二原边的一端；所述第二N通道MOS管的漏极连接所述反激式变压器的第二原边的另一端，第二N通道MOS管的栅极接接所述第二极值检电路的电压输出端；所述反激式变压器的副边的一端连接第三二极管的正极，反激式变压器的副边的另一端接地；电阻性负载或电容性负载并联在所述反激式变压器的副第三二极管的阴极和地之间；当所述第一、第二极值检测电路输出的电压使第一、第二N通道MOS管导通时，所述自供电能量提取电路导通工作，通过高品质因数的反激式变压器将压电材料由于应变产生的电荷量转换成直流电后输送到所述高品质因数的反激式变压器副边电路连接的负载。