一种压电能量收集装置设计

④本文选取的充电芯片具有输入电压源限流模式，该模式可以顺利实现断续充电，这也是本文能量收集技术的最大优点。
2能量收集电路设计
压电元件产生的电荷是瞬间和交替的，是以不规则的随机突发形式提供能量，而且在电能提取过程中具有阻尼效应，即:当振动能传递到压电材料时，由于压电效应而转化为电能，在材料内部产生交流电压，而当材料内部电阻太大(相当于断路)或电阻太小(相当于短路)时，产生的电能未消，会再次转化为振动能。反复这种过程，振动衰减会持续一段时间。所积聚起来的电荷阻碍电荷的进一步生成。因此必须先在一个超级电容器积累足够的能量，然后通过转换电路将能量储存于电池中[[4 }
一种压电能量收集装置的设计
研究现状：
压电能量收集模式将压电材料铺设于道路路而结构中，利用压电效应将道路上交通荷载产生的部分机械能转化为电能，继而将产生的电能收集、处理、利用。自从1880年代居里兄弟发现压电效应至今，经过100多年的研究积淀，针对压电材料性能及应用研究己日趋成熟。由于其优良的能量转换能力，压电能量收集系统受到了全球科研机构及企业的普遍关注。
分析及讨论
选取三洋公司生产的三洋18650型可充电锉离子电池作为能量储存端，在经过大量试验的基础上，选取其中一组整流后直流电压6V、直流电流lOmA的能量收集充电数据，来进一步分析说明该压电振动能量收集技术。图8为开关系统未打开前超级电容充电过程，图9为开关系统打开后，超级电容对充电芯片的供电过程，即断续充电过程。
[2]王强，骆英，顾建祖.基于压电材料的振动能量获取技术的研究[J].电子元件与材料，2008 ( 3);46一50
[3]王宁.基于压电悬臂结构的能量采集研究巨I习.南京:南京航空航天大学，2010; 22-23.
本文采用上海如韵公司出产的C N 3063作为主控芯片对锉电池进行充电，C N 3063可以直接从外部获取4. 35} 6V电压，它内置温度控制回路及再充电电压检测。它的运行无需微处理器控制，并且可将一节锉电池恒流充电达500 mA o CN3063包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，C H RG充电状态指示端和DONE充电结束指示输出端，当输入电压大于低电压检测I=}7值和电池端电压时，CN 3063开始对电池充电，C H RG管脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端(F B)的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻RISET.确定。内部的8位模拟一数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，特别的CN 3063所具备的输入电压源限流模式，非常适合电流输出能力有限的电压源供电的锉电池充电应用。
对于断续充电系统，充电时间的确定存在着很大的波动性和不确定性，在本文试验中，通过调整直流电源，将给予在个别情况下对充电过程的推断时间。表2列举了其中的一些试验数据。具体在应用过程中的充电时间数据还需要进一步测量.在这里必须再次说明一下本文能量收集技术的应用环境，所谓能量收集技术并不存在稳定电压源或者稳定电流源，仅仅是根据外界环境条件的变化来尽可能多地收集到可被利用的能量，所以，对于充电完成时间的确定，并不是一个恒定不变的固定值。本文试验中假设了很多种不同条件，可以明确地得出一个结论，充电时间的长短与能量输入源的大小成正比例关系，又由于断续充电的特点，所以可以肯定的一点是本文设计的能量收集器能够顺利完成充电过程，但在不能提供稳定能量输入的前提下，充电时间长短具备不确定性.对于断续充电开关系统的设计是保证断续充电的一个重要的必要条件，本文试验中证实了开关系统的正常工作，配合上充电芯片C N 3063本身的限流模式，实现了断续充电，这对于今后开发能量收集器，提高能量收集器效率都会有很强的参考价值。
2008年以色列的Innowattech公司与海法理工学院共同研发了应用于道路工程的压电能量收集系统(Innowattech Piezo Electric Venerator，IPEV)。图1,2分别为IPEV的概念模型和现场试验照片。采用该能量收集系统，交通量为600 }eh " h 1的一条双车道道路上能产生0. 4 MW " km以上的电量，可支持400 ^} 600户家庭的日常用电;且随着交通量、车载的增加，收集的电能也随之增加;IPEV的使用不会增加车辆单位油耗;其使用寿命约为30年。然而，该技术尚处于对外保密阶段，不能给中国研究者提供直接参考。
1振动能量收集原理
压电片有将振动能转化成电能的能力，根据其压电藕合系数的不同，在不同频率、不同振动加速度等条件下产生的电压值就不同。另外，影响压电片产生电能大小的两个重要因素就是配重和极化方向，压电片必须要有压力作用，使其内部变形才能产生自由电荷输出，形成电流，所以，必要的配重必不可少。配重的大小，也关系到产生自由电荷的多少，即产生电能的大小(本文试验中在不加配重情况下最大电压只能达到2v左右，而在外加配重情况下可达love;极化方向也是不能忽视的，压电元件材料具有将机械能转化为电能的性能，当压电元件受外力作用时，其极化强度随之而变，导致表面吸附的自由电荷随之变化。此时采用特定的电荷收集技术可使之形成电流[m，并且在所加外力方向必须和极化方向一致才可得到最佳效果。
Lee等口6〕研究了路而动态荷载作用下基于压电效应的能量转化影响因素及其之间的关系;Ye等o;〕提出了一种基于遗传算法的压电换能器自动优化方法，通过该方法设计的换能器可以根据实时路而振动数据自动调节内部频率以收集更多的能量;曹秉刚等mo研发了一种利用公路系统振动能量压电发电的方法和系统;林伟等口月设计了一种应用于沥青混凝土路而的堆叠式压电自发电能量采集与照明装置;Zhao等基于有限元对应用于沥青路而进行能量收集的钱式压电能量收集器参数进行了分析优化，在20 Hz, 0. 7 MPa交通荷载的作用下，按照其设计的钱式换能器，计算机模拟单个钱式压电能量收集器可产出功率为1.2mW的电能;Ky-missis在麻省理工学院将压电晶体置于鞋内，研究出一种发电鞋。测定发现压电晶体产生的峰值电能为80mW ; Rastega等开发了一种可应用于多种平台的针对低频振动的能量收集装置;Orr等研究出一种基于压电效应能量收集的智能地板。
在试验中，从压电片得到的交流电经全波整流后的直流电压可达lOV左右，可是因所得电流太小，不足以直接启动后续的充电芯片，必须先将电能储存在超级电容CS上，当CS电压达到C N 3063的充电控制端输入电压要求时电路开始工作。能量收集技术基本设计电路，如图所示。
电能收集器设计电路：
总结与展望
由压电片的压电效应，分析了振动能量收集的原理，通过压电片将振动的机械能转化成电能储存在超级电容中，利用开关系统控制超级电容为后续电路供电，最终实现了断续充电，极大地提高了充电效率。同时采用C N 3063设计能量收集电路，将振动能量转换并储存于锉离子电池中，并进行大量试验，测算出充电时间。
1. 2模型系统功能
①能够利用振动对锉离子电池进行充电。利用压电转换产生一定电流，并利用这个电流对电池进行充电。这样只要有振动，就可以随时充电。
②开关系统可以很好地控制后续电路的通断，有效地提高了能量收集效率，为实现断续充电提供必要条件。
③能够自动控制充电的电量。本文采用充电芯片控制充电量，最大限度保护了电池的寿命。
1. 1试验模型
本文采用振动台产生一定频率、一定振动加速度的振动，在振动仪上固定一个压电片，并在压电片极化方向上放外加配重，将压电片正负两极引线接至整流电路，后接超级电容，连接开关电路至充电芯片，最后连接充电锉离子电池，即可完成此能量收集技术试验。图1为压电振动能量收集技术流程图。
综上所述，本文基于压电片的振动能量收集技术可以实现对周围环境的振动能量收集，并能实现断续充电。
本文研究的基于振动的能量收集技术的一大特点就是实现了断续充电，对于一些复杂工作环境和微小振动能量的收集具有极大的现实意义。在提高能量收集效率的同时，扩展了振动能量收集的适用范围，必将更广泛地应用于大型机械的设备状态监测与故障诊断中。
参考文献：
[1]Paradiso J A, Starner T. Energy scavenging for mo-bile and wireless elec;tronic;s [J]. Pervasive Compu-ting, 2005, 4(1):18一27.