CN104124879B - 一种振动能量回收接口电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动能量回收接口电路，用于从随振源振动的压电元件中提取电能供负载使用，属于节能技术领域。本发明振动能量回收接口电路中，压电元件与一个开关、一个电感以及倍压整流电路依次串联连接，再与升压降压转换器、外接负载并联连接。相比现有技术，本发明的接口电路具有与SECE接口电路相似的能量回收功率与负载无关的特性，但同时能量回收功率又大于SECE接口电路；其次，本发明的接口电路将现有的全波整流方式变成了倍压整流方式，降低了接口电路的整体功耗。

Description

一种振动能量回收接口电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种振动能量回收接口电路，用于从随振源振动的压电元件中提取电能供负载使用，属于节能技术领域。

背景技术

将无线微型传感器网络节点嵌入到机器或结构中，对它们的运行状态进行实时监测，可应用于飞机、船舶、车辆、建筑物、桥梁和工业设备等的安全及运行状态监控。目前，大部分无线传感器是采用电池供电的，运行一个节点数量较大的无线传感器网络就需要更换大量的电池，一方面使用成本高，另一方面大量的废弃电池对环境也会造成一定的污染。所以，开展新的无线供能技术的研究己成为当务之急。

基于压电效应的振动能量回收系统是将自然界广泛存在的机械振动能通过压电片转换为电能，该能量回收系统具有输出功率大、对电子器件不产生电磁干扰、体积小、易于器件的小型化等优点。目前，基于压电效应的能量回收系统的研究工作在国内外均处于探索阶段，尚有大量的理论和试验问题需要解决，高效实用的能量回收接口电路在目前的专利和文献中也较少，常见的接口电路有标准接口、SECE(Synchronous Electric ChargeExtraction，同步电荷提取)接口、Parallel-SSHI(Parallel-Synchronous SwitchHarvesting Inductor，并联同步开关电感)接口、Series-SSHI(Series-SynchronousSwitch Harvesting Inductor，串联同步开关电感)接口。标准接口电路简单且易于实现，但回收功率低并且会随负载变化而变化；SECE接口电路的回收功率在理论上是标准接口的四倍且不会随负载变化；Parallel-SSH和Series-SSHI接口电路的回收功率较SECE接口更大，但会随负载的变化而变化。这些接口电路尚远远不能满足能量回收系统的需要，仍然需要不断研究和开发高效实用的接口电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种压电式的振动能量回收接口电路，能量回收功率不会随负载变化而变化，且具有更高的能量回收功率。

本发明的振动能量回收接口电路，用于从随振源振动的压电元件中提取电能供负载使用，该接口电路包括：第一开关、第二开关、第一电感、第二电感、第一中间电容、第二中间电容、滤波电容、第一～第三二极管，以及两个输入端和两个输出端，第一中间电容与第二中间电容的电容值相同；第一二极管、第一中间电容、第二中间电容、第二二极管依次首尾相连构成一个环路，且第一二极管与第二二极管在该环路中的方向相同；第一二级管与第二二极管之间的结点依次串联第一电感、第一开关后与一个输入端连接，第一中间电容与第二中间电容之间的结点与另一个输入端连接，第一二极管与第一电容之间的结点、第二电感的其中一端、滤波电容的一端与一个输出端共连接，第二二极管与第二中间电容之间的结点和第二电感另外一端通过第二开关连接，滤波电容的另一端与另外一个输出端通过公共结点连接，第三二极管连接于公共结点和第二电感另外一端之间且其方向与第二二极管的方向相反。

优选地，所述第一电感的电感值满足以下条件：由第一电感、所述压电元件的受夹电容、第一中间电容/第二中间电容串联构成的LC振荡电路的振荡周期小于所述振源振动周期的二十分之一。

优选地，所述第一中间电容和第二中间电容的电容值C满足以下条件：

其中，C₀为所述压电元件的受夹电容值，γ₀为由第一电感、所述压电元件的受夹电容、第一中间电容/第二中间电容串联构成的LC振荡电路的翻转系数。

优选地，所述滤波电容的电容值与所述负载的等效电阻值的乘积大于所述振源振动周期的五倍。

如上所述振动能量回收接口电路的控制方法，在每个振动周期中按照以下方式控制第一开关和第二开关的开关状态：当所述压电元件的振动位移达到最大值时，令第一开关导通，第二开关关断；当通过第一中间电容的电流降为0时，令第一开关关断，第二开关导通；当通过第二电感的电流达到最大值时，令第一开关关断，第二开关关断；当所述压电元件的振动位移达到负的最大值时，令第一开关导通，第二开关关断；当通过第二中间电容的电流降为0时，令第一开关关断，第二开关导通；当通过第二电感的电流达到最大值时，令第一开关关断，第二开关关断。

本发明提出了一种全新的压电式能量回收接口电路拓扑结构，由于其采用双中间电容的倍压整流，因此可称之为双中间电容(Double Intermediate CapacitorHarvesting Interface，简称DICH)接口电路。本发明的DICH接口电路相比现有技术具有以下有益效果：

首先，本发明的DICH接口电路具有与SECE接口电路相似的能量回收功率与负载无关的特性，但同时能量回收功率又大于SECE接口电路；

其次，本发明的DICH接口电路将现有的全波整流方式变成了倍压整流方式，降低了接口电路的整体功耗。

附图说明

图1是DICH接口电路原理图；

图2是DICH接口电路的压电片两端、中间电容两端电压和各阶段电流波形图；图中u为机械振动位移，V_C0为压电片两端的电压，I₁为第(1)阶段电路的电流，V_C1、V_C2为中间电容C₁、C₂两端的电压，I₂、I₃分别为第(2)和第(3)阶段电路的电流；

图3是恒定激振位移情况下，标准接口、SECE、串联-SSHI、并联-SSHI和DICH接口电路的回收功率P与负载R间的理论关系图；

图4是DICH接口电路的仿真电路图；

图5是运用电子仿真软件Multisim得到的标准接口、SECE接口、串联-SSHI接口、并联-SSHI接口和DICH接口电路回收功率P与负载R关系的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了本发明的DICH接口电路的基本拓扑结构，如图所示，该接口电路包括：开关S₁、S₂，电感L₁、L₂，二极管D₁、D₂，中间电容C₁、C₂，续流二极管D₃、滤波电容Cr，图中的C₀、R分别表示压电片和外接负载。从图中可以看出，二极管D₁、D₂和中间电容C₁、C₂组成了一个倍压整流电路，电感L₂、开关S₂、续流二极管D₃、滤波电容Cr组成了升压降压转换器；压电片C₀、开关S₁、电感L₁与倍压整流电路串联连接，再与升压降压转换器、外接负载R并联连接。其中，中间电容C₁、C₂的电容值大小相同。二极管D₁、D₂以及续流二极管D₃的方向也可以整体反向，效果不变。

在每个振动周期中按照以下方式控制开关S₁和S₂的开关状态：当压电片C₀的振动位移达到最大值时，令开关S₁导通，开关S₂关断；当通过中间电容C₁的电流降为0时，令开关S₁关断，开关S₂导通；当通过电感L₂的电流达到最大值时，令开关S₁关断，开关S₂关断；当压电片C₀的振动位移达到负的最大值时，令开关S₁导通，开关S₂关断；当通过中间电容C₂的电流降为0时，令开关S₁关断，开关S₂导通；当通过电感L₂的电流达到最大值时，令开关S₁关断，开关S₂关断。

上述DICH接口电路中的开关S₁和S₂应尽量选用响应速度快、低导通电阻的电子开关。电感L₁、L₂应尽可能选用高品质因子电感，为了使电压尽快的翻转，增大压电片两端的开路电压，从而得到较大的回收功率，其中电感L₁的参数优选使得L₁C₀C₁振荡电路的振荡周期小于机械振动周期的1/20的电感。为了保证滤波后的电压足够平稳，滤波电容Cr的电容值最好满足RC_r>5T这一条件，其中T为机械振动周期。

图2显示了本发明的DICH接口电路在每个机械振动周期内压电片两端、中间电容两端电压和各阶段电流波形，从图中可看出DICH接口电路在每个机械振动周期内完成两次能量回收，每次能量回收可分为能量提取、能量转移、能量存储和电路开路四个阶段，在机械振动位移最大值变化到最小值这半个周期中包含能量提取、能量转移、能量存储和电路开路四个阶段，下面对其进行详细分析：

(1)能量提取阶段：在t₀时刻，机械振动位移u达到最大值U_M，此时压电片两端电压达到最大值V_M，开关S₁闭合，存储在压电片上的电能经电感L₁和二极管D₁转移到中间电容C₁上，当C₁上面电荷量最大和电流I₁＝0时，开关S₁断开，开关S₂闭合。

当开关S₁闭合，压电片、电感L₁和电容C₁组成了一个振荡电路—L₁C₀C₁振荡电路，

根据基尔霍夫电压定律得：

式中V_C0为压电片两端的电压，当开关S₁闭合的一瞬间(t₀时刻)，压电片两端的电压为V_M，电容C₁两端的电压为V₁，求解式(1)得：

其中：

α＝-ω₁ξ₁

式(3)中，ω₁为系统第(1)阶段的自然角频率，ξ₁为系统的阻尼系数。当电路中电流I₁＝0时，开关S₁断开，即：

则可以分别得到第(1)阶段能量转移结束后压电片和中间电容C₁上的电压：

式(5)、式(6)中γ₀为L₁C₀C₁振荡电路的翻转系数，其定义为：

当第(1)阶段能量转移完成后，开关S₁断开，开关S₂闭合，第(2)阶段的能量转移开始。

(2)能量转移阶段：当开关S₂闭合时，中间电容C₁、C₂和电感L₂组成一个LC振荡电路，C₁和C₂上存储的电能转移到L₂上，当电感L₂上的能量最大(电流I₂最大)时，开关S₂断开。

根据基尔霍夫电压定律得：

式(6)已经给出中间电容C₁上的初始电压，中间电容C₂上的初始电压为-V₁，由此初始条件可得C₁两端的电压V_C1和L₂C₁C₂振荡电路的电流I₂：

其中，α＝-ω₂ξ₂，ω₂和ξ₂为系统第(2)阶段的自然角频率和阻尼系数，

分别为：

当电流I₂达到最大时，第(2)阶段的能量转移结束，开关S₂断开，因为阻尼系数ξ₂<<1，由式(10)得第(2)阶段结束时电路中的电流：

(3)能量存储阶段：当开关S₂断开时，续流二极管D₃导通，存储在电感L₂上的能量转移到滤波电容Cr和负载R上，此时电路中的电流为I₃。

在这个阶段，负载电压V_DC可以看为恒定值，原因是滤波电容Cr和负载R组成电路的时间常数为2πRC_r，远远大于振动周期的一半，即：

其中，f₀为系统的振动频率。第(3)阶段能量转移的表达式为：

其中，I₃是电荷从电感L₂转移到滤波电容Cr产生的电流，r₂是电感L₂的内部电阻。

电流的初始条件是：

I₃(0)＝(I₂)_end(15)由于r₂很小，所以r₂所占的电压r₂(I₂)_end<<V_DC，所以可以忽略r₂的影响。则式(14)就可以写为：

第(3)阶段电路中的电流I₃＝0时，第(3)阶段的能量转移结束，电荷的变化量为：

所以整个系统半个周期内回收的能量为：

E＝∫V_DCI₃dt＝V_DCΔq (18)

根据式(6)、式(12)、式(17)和式(18)得出：

其中，η是buck-boost转换器的转换效率：

从式(19)可以看出整个系统回收的能量与负载上的电压V_DC的大小无关，而且与负载R也是无关的。

(4)电路开路阶段：如图2所示，当压电片两端的电压从-V_m'变化到-V_M'时，由标准压电方程可以得到压电片电压V_C0和I₁电流与振动位移u的关系为：压电片处在开路阶段，压电片的输出电流I₁＝0，即由此可以得到：

下半周期的情况和上半周期的分析类似，如图2所示，在[t₀+T/2,t₀+T]也分为四个阶段：

在第(1)阶段t₀+T/2时刻，机械振动位移u达到最小值-U_M，此时压电片两端电压达到最小值-V_M'，开关S₁闭合，存储在压电片上的电能经电感L₁和二极管D₁转移到中间电容C₂上，当C₂上面电荷量最大和电流I₁＝0时，开关S₁断开，开关S₂闭合。

第(2)和第(3)阶段与上半周期一样。

在第(4)阶段，如图2所示，当压电片两端的电压从V_m变化到V_M时，压电片处在开路阶段，即压电片的输出电流I₁＝0，此时整个振动周期结束。

当能量回收系统的机电耦合较弱时，接口电路回收的能量与振动环境的能量相比可以忽略不计，这时能量回收装置的激振位移幅值U_M保持恒定。令中间电容C₁、C₂为：

C₁＝C₂＝xC₀ (22)根据式(5)和式(6)可以得出压电片两端和中间电容C₁上的电压的表达式为：

当压电片两端的电压从-V_m'变化到-V_M'时，压电片处于开路阶段，如图2所示，由于中间电容C₁和C₂上的电压V₁、V₂不同，导致压电片两端的电压V_M和V_M'不同，因此通过式(21)和式(23)可以得出两个式子：

在能量转移的第(2)阶段，当电流I₂达到最大时，根据式(9)和式(10)可以得出：

由于ξ₁很小，则：

根据图2和式(28)得到：

最后根据式(24)、式(25)、式(26)、式(29)和式(30)可得：

根据式(19)可以得出整个系统在半个周期内回收的能量：

由于在每个振动周期内进行两次能量回收，因此DICH接口电路的回收功率P为：

其中，ω是机械振动角频率，为了获得最大的功率值，令：可以得到最优的x值：

将式(34)带入式(33)得到最优回收功率：

因此，从式(35)中可以看到当中间电容C₁、C₂的电容值是压电片的受夹电容C₀电容值的(3-γ₀)/(2-2γ₀)倍时，系统的回收功率是最优的，而且从最优功率E_opt的公式中可以看出回收功率与负载R无关。

图3给出了当翻转系数γ＝0.8，升压降压转换器的效率η＝0.9时标准接口、SECE、串联-SSHI、并联-SSHI和DICH在恒定激振位移情况下的理论回收功率与负载R的关系图。为使这些图形不受能量回收系统自身参数的影响，对最优负载和最大回收功率分别相对于标准接口的最优负载和最大回收功率进行了归一化处理。

为了验证本发明效果，利用仿真方法对比了本发明DICH接口电路与现有几种接口电路的回收功率，具体为在电子仿真软件Multisim中对标准接口、SECE、串联-SSHI、并联-SSHI和DICH接口电路的回收功率进行仿真对比。仿真的条件为：压电片用一个正弦电流源并联压电片的受夹电容C₀表示，该正弦电流源的频率和机械振动频率相同，其幅值I_M＝2πfαU_M，其中f为机械振动频率，α为压电片的力因子，U_M为机械振动位移幅值。为了保证五种接口电路满足恒定激振位移条件，只要设置它们具有相同的电流源幅值I_M即可。在仿真电路中，压电片的受夹电容C₀＝50nF，机械振动频率f＝50Hz，电流源幅值I_M＝100uA。DICH接口电路的仿真电路图见图4，最终得到的标准接口、SECE、串联-SSHI、并联-SSHI、DICH接口电路的回收功率关于负载R的仿真结果见图5。

Claims (4)

1.一种振动能量回收接口电路的控制方法，所述振动能量回收接口电路用于从随振源振动的压电元件中提取电能供负载使用，该接口电路包括：第一开关、第二开关、第一电感、第二电感、第一中间电容、第二中间电容、滤波电容、第一～第三二极管，以及两个输入端和两个输出端，第一中间电容与第二中间电容的电容值相同；第一二极管、第一中间电容、第二中间电容、第二二极管依次首尾相连构成一个环路，且第一二极管与第二二极管在该环路中的方向相同；第一二极管与第二二极管之间的结点依次串联第一电感、第一开关后与一个输入端连接，第一中间电容与第二中间电容之间的结点与另一个输入端连接，第一二极管与第一电容之间的结点、第二电感其中一端、滤波电容的一端与一个输出端共连接，第二二极管与第二中间电容之间的结点和第二电感的另外一端通过第二开关连接，滤波电容的另一端与另外一个输出端通过公共结点连接，第三二极管连接于公共结点和第二电感的另外一端之间且其方向与第二二极管的方向相反；

其特征在于，在每个振动周期中按照以下方式控制第一开关和第二开关的开关状态：当所述压电元件的振动位移达到最大值时，令第一开关导通，第二开关关断；当通过第一中间电容的电流降为0时，令第一开关关断，第二开关导通；当通过第二电感的电流达到最大值时，令第一开关关断，第二开关关断；当所述压电元件的振动位移达到负的最大值时，令第一开关导通，第二开关关断；当通过第二中间电容的电流降为0时，令第一开关关断，第二开关导通；当通过第二电感的电流达到最大值时，令第一开关关断，第二开关关断。

2.如权利要求1所述振动能量回收接口电路的控制方法，其特征在于，所述第一电感的电感值满足以下条件：由第一电感、所述压电元件的受夹电容、第一中间电容串联构成的LC振荡电路的振荡周期小于所述振源振动周期的二十分之一。

3.如权利要求1所述振动能量回收接口电路的控制方法，其特征在于，所述第一中间电容和第二中间电容的电容值是相等的，其电容值C满足以下条件：

$C=\frac{(3-{\mathrm{\&gamma;}}_0)C_0}{2-2{\mathrm{\&gamma;}}_0},$

其中，C₀为所述压电元件的受夹电容值，γ₀为由第一电感、所述压电元件的受夹电容、第一中间电容串联构成的LC振荡电路的翻转系数。

4.如权利要求1所述振动能量回收接口电路的控制方法，其特征在于，所述滤波电容的电容值与所述负载的等效电阻值的乘积大于所述振源振动周期的五倍。