CN103427708A - 一种基于压电材料的宽频振动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电材料的宽频振动能量回收装置，包括振幅限制悬臂梁机电耦合单元、能量提取单元和电源管理单元，振幅限制悬臂梁机电耦合单元包括悬臂梁和限幅装置，能量提取单元包括反激式变压器和三个二极管，电源管理单元的输出端与外界电子设备连接。本发明采用了特殊设计的限幅装置，其作用在梁上的非线性力能够拓宽结构的幅频响应曲线，使其更适合回收宽频条件下的振动能量，限幅装置还能保护压电元件在冲击载荷下不会因为大变形而受到损坏。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宽频振动能量回收装置

技术领域

本发明涉及一种能量回收装置，尤其涉及一种基于压电材料的能量回收装置，属于振动能量收集领域。

 

背景技术

无线传感器网络能够直接获悉客观世界的物理信息，通过网络传输将它们与远程控制终端联系在一起，为人们提供了最直接、最有效、最真实的客观信息。如今，随着传感器、微处理器、无线通信等技术的巨大进步，无线传感器网络亦获得了迅猛发展。然而，独立供电技术作为无线传感器网络的基础技术之一，由于长期得不到足够地重视，时至今日已经严重制约了无线传感器网络的进一步应用。目前绝大多数网络节点仍使用电池供电技术，导致了节点后期维护费用高，废旧电池处理困难等等一系列问题。回收环境中的能量并用于代替传统电池供电的技术，正吸引着大批学者的注意。其中振动能量无处不在且具有相当可观的能量密度，受自然环境的影响较小，有着广泛的应用前景。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而且便于和微型结构集成，因此该材料成为了环境振动能量回收技术的首选。

一般而言，基于压电材料的振动能量回收装置主要由带压电耦合功能的振荡结构、能量提取电路、稳压电源单元以及被供电的电子器件组成，自供电无线传感器节点就是该装置的典型代表。振荡器结构在外界激振力的作用下会产生较大幅值的振荡，进而使压电材料电极面上产生电荷，形成交流电压。由于集成芯片供电电源均为直流电，压电元件每次转化的电荷能又比较低，因此产生的交流电压需要经过特定的能量提取电路，转化成直流电压并预先存储在超级电容中。最后通过高效率的稳压电源芯片，将其转化成标准稳定的直流电压，并保证能在一定的时间段内持续输出较大的电流，满足被供电装置的能量要求。

压电振动能量回收装置的研究主要集中在振荡器结构设计与优化、压电材料优化、接口电路设计与优化、电源管理单元设计、装置具体应用设计等方面。其中振荡器结构以及接口电路的性能优劣直接影响到装置的能量回收效率。

振荡器结构的优化主要集中在结构的宽频性能上，由于环境振动的频带比较宽，而大多数线性振荡器结构都有特定的共振频率，一旦环境激振频率偏离振荡器的共振频率，结构的受迫振幅将会急剧降低，发电功率迅速减弱。因此，宽频性能优异的各种非线性振荡器被提了出来。其中有一种振幅限制的悬臂梁结构设计简单且有利于微型化，该结构在梁自由端振幅达到一定程度时，会与限幅装置触碰，进而使梁的振幅不再增加。虽然在触碰过程中会存在能量损失，但是如果设计得当，触碰过程中存在的非线性力可以拓宽结构的幅频响应。

接口电路的优化主要是在标准接口的基础上设计开关类型的电路，增加装置的能量密度，同时减弱回收功率与负载阻抗之间的影响。标准接口电路是一个全桥整流器后接一个滤波电容，直接将交流电转化成直流电，该电路实现简单，但装置能量密度小且回收功率受到负载阻抗的影响非常大，当实际负载阻抗与最优阻抗不匹配时，回收功率非常低。一般而言，回收装置的最优负载阻抗与结构振动频率有关，一旦振动频率变化时，最优阻抗也相应变化；而实际负载电路阻抗却不能灵活变化。因此可以说标准接口非常不适合于宽频的环境振动能量回收，需要更符合实际的改进型接口电路。这种类型接口电路根据电子开关位置的不同主要可以分成两类，一种是电子开关在全桥整流器之前，通过并联或串联电感来增加压电元件上的电压，即增加装置的能量密度，另一种电子开关是在全桥整流器之后，利用DC-DC转换技术减弱回收功率与负载阻抗之间的影响，使得装置尽量工作在最优回收功率的条件下。同步电荷提取电路（Synchronous Electric Charge Extraction , SECE）结构图跟后者类似，但利用的是电荷同步提取技术，将负载阻抗和回收功率完全独立开来 ，同时增加了一定的能量密度。然而该技术开关控制策略实现起来比较复杂，实用性不强。后来提出的优化型同步电荷提取电路则优化了开关控制策略和电路结构，负载阻抗和回收功率并非完全独立，但影响已经很小，是比较实用的压电宽频振动能量回收接口之一。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种高性能、实用化的机电耦合结构和接口电路，用于高效率地回收环境宽频振动能量，最终给独立工作的电子装置直接提供标准直流电源。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的基于压电材料的宽频振动能量回收装置包括振幅限制悬臂梁机电耦合单元、能量提取单元和电源管理单元，其中，振幅限制悬臂梁机电耦合单元包括一悬臂梁，其根部固定且粘贴有一压电元件，末端设有用于限制悬臂梁摆动幅度的第一、第二限幅装置；所述的能量提取单元包括反激式变压器、第一整流二极管、第二整流二极管和第三整流二极管，其中，反激式变压器的第一原边的第一端与第一整流二极管阴极连接，第一整流二极管阳极与所述压电元件的正极连接，根据第一整流二极管电流方向，第一原边第二端与对应的第一限幅装置连接，反激式变压器的第二原边第一端与第二整流二极管阳极连接，第二整流二极管阴极与所述压电元件的正极连接，第二原边第二端与第二限幅装置连接；所述的反激式变压器副边第一端与第三整流二极管阳极连接，第三整流二极管阴极与存储电容正极连接，存储电容负极接地，反激式变压器副边第二端与存储电容负极连接；所述的第三整流二极管阴极与电源管理单元的输入端连接，电源管理单元的输出端与外界电子设备连接。

更进一步地，所述的悬臂梁和限幅装置均由导电材料制成。

更进一步地，所述的电源管理单元具有同步电荷提取接口，用于提取存储回收的电能，所述的同步电荷提取接口为非线性电荷提取接口。

更进一步地，所述的第一、第二限幅装置与悬臂梁末端之间距离相同。

本发明技术方案中，悬臂梁由导电材料构成，并且和压电元件的一个电极即负极相连，振幅限制装置同样由导电材料构成，同时分别连接反激式变压器原边的两个电感线圈。限幅装置和悬臂梁共同构成了接口电路中的“开关”，梁振幅没有达到限幅值时，压电元件处于开路状态，接口电路不工作。所述的限幅装置设计成低阻尼的结构，固定在耦合结构的基础上并与之绝缘，本身通过导线引至电源管理单元的同步电荷提取接口，并且其与悬臂梁末端之间的直线距离可以通过调节装置方便地调节。

所述的能量提取单元主要为一非线性开关类型能量提取接口电路，其主要由一个高品质因数的反激式变压器和三个整流二极管构成。反激式变压器包含两个原边电感和一个副边电感，原边电感根据“开关”闭合时原边电流方向分别接入整流二极管，副边电感中电流通过第三整流二极管进入后续存储电容。压电元件负极连同悬臂梁接提取电路的地电平，当所述悬臂梁与限幅装置触碰时，原边线圈通过梁与压电元件负极相连，该原边线圈所处的电路回路接通，所述提取电路开始工作，压电元件由于应变累积的电荷能将被提取到反激式变压器中，当该回路断开时，存储在变压器中的能量输送到后续的存储电容中。

所述的电源管理单元主要由降压型DC/DC稳压芯片组成，为后续被供电装置直接提供标准、稳定的直流电压。所述的电源管理单元采用了专门用于压电能量回收的电源管理芯片（LTC3588），芯片内部集成的标准压电能量提取接口被所述的优化型同步电荷提取接口代替，提高了装置能量回收功率和电容的可存储电能。本发明的技术方案主要利用了该芯片内部集成的滞回电压比较器以及低电平锁定（undervoltage lockout）功能，使得存储电容上电压升高到一个较高值时，芯片才开始工作，存储电容上电压降低过程中，电压降低到一个较低值，芯片才进入低电平锁定状态。因为压电能量回收装置回收功率一般都比较低，利用上述功能可以确保后续电路工作时能量回收装置已经存储了一定量的电能，电路能在大功耗情况下连续工作一段时间。该功能普通的降压型电源管理芯片均不具备，需要额外设计，选择LTC3588芯片能够大大降低装置成本、设计难度以及接口电路自身功耗，而且该芯片能提供1.8V、2.5V、3.3V和3.6V四种幅值的标准直流电压，最大输出电流能达到100mA，满足了一般低功耗电子设备的要求。

本发明技术方案中，悬臂梁和限幅装置分别属于接口电路中开关的两端，限幅装置本身通过绝缘材料和基础固定在一起；非线性电荷提取接口选择优化型同步电荷提取电路，由反激式变压器，整流二极管等电子元器件构成，所提取的电荷能存储在变压器副边的大容量存储电容中；当存储电容中电压达到一定值时，电源管理芯片开始工作输出稳定的标准直流电压，并给后续电路提供触发信号。

有益效果

本发明采用了特殊设计的限幅装置，其作用在梁上的非线性力能够拓宽结构的幅频响应曲线，使其更适合回收宽频条件下的振动能量。另外限幅装置还能保护压电元件在冲击载荷下不会因为大变形而受到损坏。该装置和悬臂梁还一起构成了接口电路中的开关，该开关完全由机械装置构成且属于被动控制，避免了以往技术中复杂的开关控制策略以及所需的驱动能量。接口电路采用优化型同步电荷提取技术，该技术中回收功率受振动频率的变化影响较小，同时能提高装置中压电元件由于应变而产生的能量密度。电源管理单元选择高效率降压型DC-DC稳压芯片，该芯片提供4种不同幅值的标准直流输出电压，同时能保证回收装置预先存储一定的能量后才开始工作，确保被供电电路在功耗大于回收功率的情况下也能连续工作。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。

 

附图说明

图1是本发明基于压电材料的宽频振动能量回收装置原理图；

图2是LTC3588芯片内部集成的滞回电压比较器示例图；

图3是LTC3588芯片在相同负载不同接口情况下的输入输出电压随时间的变化曲线。

 

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本实施例的基于压电材料的宽频振动能量回收装置主要由振幅限制悬臂梁机电耦合单元（1）、能量提取单元（2）、电源管理单元（3）三部分组成。

所述的振幅限制悬臂梁机电耦合单元为一机电耦合结构，包括一悬臂梁，其根部固定且粘贴有一压电元件，末端设有用于限制悬臂梁摆动幅度的第一、第二限幅装置。压电元件的负极和悬臂梁接触，悬臂梁由导电材料制造，如果机电耦合结构的基础部分也由导电材料制成，压电元件负极就通过悬臂梁固定端与基础连接，该基础接整个装置的参考地电平；如果耦合结构的基础部分不导电，悬臂梁通过导线和整个振动能量回收装置的参考地电平连接。悬臂梁的末端对称放置了一对限幅装置，材料同样由导电材料制成，通过导线分别连接到接口电路原边的两个线圈上，限幅装置通过绝缘材料固定在耦合结构的基础上，它们到悬臂梁中心面之间的距离，可以事先根据外部环境方便地调节。当悬臂梁振动时，一旦振幅超过限幅装置的设定值，梁就会与限幅装置碰撞，并在悬臂梁末端施加了一反作用力，该反作用力的存在，拓宽了悬臂梁结构的幅频响应曲线，使得振荡器更适应环境振动。另外对于微型结构，悬臂梁的振幅过大有可能会损坏压电元件或梁本身，限幅装置的存在对此还起到了保护作用。限幅装置设计的难点是材料的选择和结构设计，为了拓宽幅频响应曲线，限幅结构本身的刚度系数要尽可能大，阻尼系数要尽可能小，同时要使碰撞过程中的能量损失尽可能低。为此本发明中限幅结构也设计成一个悬臂梁，让其与压电悬臂梁的碰撞接近于弹性碰撞，为了提高刚度系数限幅结构的一阶固有频率要尽可能大。

如图1所示，能量提取单元的电路采用优化型同步电荷提取技术，该技术能降低负载阻抗对回收功率的影响，电路实现较为简单且损失的能量少。电路主要有三个整理二极管，一个反激式变压器和机械式开关组成。为了减少能量损失，反激式变压器要选择品质因子和耦合因子高，且工作频率适合的特殊类型变压器，该变压器有两个原边线圈和一个副边线圈，匝数比尽量大于1（值越高，回收功率受负载阻抗的影响越小）。两个原边线圈的一侧分别接整流二极管再连接到压电元件的正极，另一侧则要根据电路工作时电流方向分别对应地接相应的限幅装置。机械式开关由耦合结构中限幅装置和压电悬臂梁共同构成，该机械开关不同于一般电路中的电子开关，它是一种完全被动控制的开关，不需要通过某种能量和控制信号来驱动，只有当压电悬臂梁振幅达到一定值并与之触碰时，该路的开关自动处于闭合状态，一旦振幅变小与之分开时，开关自动处于断开状态。由于压电悬臂梁与限幅装置的触碰时间不能精确控制，原边线圈所在的回路中增加了两个整理二极管，用于在特定的条件下“断开”该回路，达到优化型同步电荷提取的功能。

本实施例的宽频振动能量回收装置在工作过程中，在大部分振荡时期内，梁不与限幅装置触碰，因此压电元件处于开路状态，开路电压和振幅成正比关系。一旦接近限幅装置时，振幅也将接近极值，此时压电元件开路电压值会比较大，积聚的电荷比较多。一旦与限幅装置触碰，相应的原边回路就会导通，积聚在压电元件上的电荷能通过原边振荡电路转移到对应的电感线圈中，根据变压器原理，副边电感同时也会感应到相反的电压，一旦该电压略超过存储电容上的电压时，变压器中存储的能量将通过第三整流二极管，转移到存储电容上。在这个短暂过程中，副边电感上的电压保持不变，原边电感电压也不变但没有电流流通，压电元件已处于开路状态。该过程结束时，该路对应的整流二极管一般已处于反向截止状态，进一步确保压电元件处于开路状态，直至另一个位移极值点的到来。这种技术即优化型同步电荷提取技术，在一定程度上抵消了负载电路对压电振荡器回收功率的影响，同时增加压电元件上的能量密度。

电源管理单元直接采用凌力尔特公司的集成芯片LTC3588- 1提供的解决方案进行设计，该芯片能提供1.8V、2.5V、3.3V和3.6V四种幅值的标准直流电压，最大输出电流能达到100mA，能满足绝大部分微功耗集成电路的供电要求。芯片内部集成两个输出电平选择管脚（D0, D 1），用于设置输出电平的大小，高电平信号由管脚VIN2提供，低电平信号则直接接地电平。例如输出电平是1.8V，则D0, D 1均接地；输出电平是2.5V，则D0接管脚VIN2, D 1均接地；输出电平是3.3V，则D0接地, D 1接管脚VIN2；输出电平是3.6V，则D0, D 1均接管脚VIN2。电路设计简单，易于实现。

存储电容的正端接芯片的输入管脚VIN，电容容值的大小根据实际应用需求设计。芯片内部集成一个滞回电压比较器以及低电平锁定功能。图2所示为输出电平为3.3V时该功能输入输出电压关系示例图，当存储电容上电压处于上升状态时，该值超过5.08V（最小值4.73V,标准值5.08V，最大值5.37V）芯片输出电压跃至3.3V；如果负载功率大于压电能量回收功率，此时存储电容上的电压就会降低，当电压值低于3.67V（最小值3.42V,标准值3.67V，最大值3.91V）芯片停止工作。如果存储电容值足够大，该功能就能保证存储能量满足负载长时间大功率的消耗，大大提高了本发明的实用功能。

芯片PGOOD管脚是一个逻辑电平信号，输出电压管脚（VOUT）电压达到标准输出的92%以上时，管脚输出高电平；否则电平被拉低。该管脚主要用于给供电电路一个触发信号，“唤醒”由于掉电而不工作的电路。

该芯片内部本身集成有标准接口，本实施例中不使用该接口，而是选择所述的优化型同步电荷提取接口，这是因为在同样的振动条件下，后者的回收功率高，一旦芯片出现掉电现象，重启的等待时间会比较短；如果装置的机电耦合效率比较低，相同容量的存储电容下，后者的回收电压高，由于存储能量和电压的平方成正比关系，因此使用优化型同步电荷提取接口的装置能够存储更多的电能。图3所示为分别采用上述两种接口的芯片输入输出电压随时间变化仿真图，振动条件相同，结构机电耦合效率一样。微功耗电子设备的负载阻抗假设为33K，模拟电路休眠时的阻抗，当电路工作5s后，负载电路产生一个脉冲宽度为0.01s，周期为1s，幅值为50mA的脉冲电流，模拟电路工作时的功耗。通过波形图可以看到，采用优化型同步电荷提取接口，芯片在2秒不到的时候就开始工作，而且存储的能量在不断地增加（芯片内部保护装置在输入电压达到20V时启动，此时回收的能量将通过保护装置消耗掉，存储电能不再增加）。利用标准接口，芯片需要等待较长的时间才输出稳定电压，而且一旦后续电子电路工作后，存储的能量还在逐渐降低，一段时间后电路将掉电不能工作。 

Claims (4)

1.一种基于压电材料的宽频振动能量回收装置，其特征在于，包括振幅限制悬臂梁机电耦合单元、能量提取单元和电源管理单元，其中，振幅限制悬臂梁机电耦合单元包括一悬臂梁，其根部固定且粘贴有一压电元件，末端设有用于限制悬臂梁摆动幅度的第一、第二限幅装置；所述的能量提取单元包括反激式变压器、第一整流二极管、第二整流二极管和第三整流二极管，其中，反激式变压器的第一原边的第一端与第一整流二极管阴极连接，第一整流二极管阳极与所述压电元件的正极连接，根据第一整流二极管电流方向，第一原边第二端与对应的第一限幅装置连接，反激式变压器的第二原边第一端与第二整流二极管阳极连接，第二整流二极管阴极与所述压电元件的正极连接，第二原边第二端与第二限幅装置连接；所述的反激式变压器副边第一端与第三整流二极管阳极连接，第三整流二极管阴极与存储电容正极连接，存储电容负极接地，反激式变压器副边第二端与存储电容负极连接；所述的第三整流二极管阴极与电源管理单元的输入端连接，电源管理单元的输出端与外界电子设备连接。

2.如权利要求1所述的基于压电材料的宽频振动能量回收装置，其特征在于，所述的悬臂梁和限幅装置均由导电材料制成。

3.如权利要求1所述的基于压电材料的宽频振动能量回收装置，其特征在于，所述的电源管理单元具有同步电荷提取接口，用于提取存储回收的电能。

4.如权利要求1所述的基于压电材料的宽频振动能量回收装置，其特征在于，所述的第一、第二限幅装置与悬臂梁末端之间距离相同。

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