基于压电材料的振动能量收集试验研究

第27卷第3期2010年6月

现代电力

M oder n Electr ic P ower

Vol127No13

June2010

文章编号:100722322(2010)0320070205文献标识码:A

基于压电材料的振动能量收集试验研究

任思源,何青

(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206)

Experimental S tudy on Vibration Energy Collection Based on Piezoelectric Material

Ren Siyuan,H e Q ing

(School of Energy,P ower and Mechanical Engineering,North China Elect ric Power Univer sity,Beijing102206,China)

摘要:针对设备状态监测与故障诊断实时监测的要求,以应用于无线传感器网络节点供电为目的,根据材料的压电特性及其等效电模型,设计出将振动能转化成电能的能量收集的试验系统。该试验系统由压电片、振动台、整流转换、充电电路以及可充电锂离子电池等组成。以整流电路、开关控制部分,结合超级电容,设计出基于压电材料的振动能综合转换收集试验方案,制作出小型设备,通过试验验证其应用的可行性,记录并分析试验数据。试验表明,振动能量能够被有效地转化为电能并先储存于超级电容中,后由开关系统控制充电芯片实现断续充电,将电能储存至锂电池中。

关键词:压电材料;振动;能量收集;超级电容;锂电池

Abstract:Based on the piezoelectric characteristics and e2 quivalent electrical model of the material,an experimental system has been designed to convert the energy of vibration into the elect ric power.The experimental system takes the real time requirement of condition monitoring and faults di2 agnosis as background and aims at the application of the power supply for wireless sensor network nodes.It consists of piezoelectric ceramics,vibration shaker,rectifier con2 verter,charge circuit,Lithium battery,etc.,the experi2 mental scheme is accomplished to convert and collect the vi2 brat ion energy of the piezoelectric material with synthesizing rectifier,switching part and super capacitor.A small device has been analyzed and verified with experiments and the re2 corded data.The experiment shows that vibration energy can be converted to electrical energy and then electrical en2 ergy is stored in Super Capacitor,intermittently charged through switching part into charge chip,and stored in a lith2 ium battery.

Key w ords:piezoelectric;vibration;energy harvesting; Super Capacitor;Lithium Battery

0引言

随着无线设备的广泛应用,其供电问题受到人们的广泛关注。在许多使用电池供电的场合,电池的频繁更换不仅会增加使用费用,而且会造成环境污染,特别在一些人类无法到达、无法接触的特殊场合,其电池更换更难。另外在设备监测与故障诊断的应用中,电池电量用完且又无法及时更换会造成严重的后果[1]。为解决这些问题,人们开始考虑把周围环境中的能量,如化学能、光能及机械振动能等,转换成电能收集并存储起来。

在工矿、电力、石油等行业内部,大型机械设备的应用极为广泛。与此同时,随着联合能量收集技术的发展,大型机械设备的振动能量收集利用也随之广泛发展起来。

研究人员目前已经开发出从振动中收集能量的装置。这些装置可采用电磁式、静电式或压电式将机械运动转换为电能。这3种机电转换方式的能量贮存密度比较如表1所示。而且,现在一些公司开始生产振动能量转换器,每一种转换器各有优缺点。一般来说,静电式转换器需要保持一很小的空气间隙,且功率密度较低,电磁转换器常常输出电压低,而压电式转换器却要依赖于较脆的陶瓷[2]。依据理论、仿真和实验,对大部分应用来说,3种转换器中压电式转换器是最有潜力的。

表1能量贮存密度比较

类型实际最大值/(mJ#cm-3)理论最大值/(mJ#cm-3)

压电式3514335

静电式444

电磁式2418400

本文所介绍的是一种基于压电片的压电振动能量收集技术试验,该能量收集技术试验是由振动台作为动力源,压电片产生电流可以存放在超级电容

中,在电容蓄到一定电压时,可驱动开关系统打开,使充电芯片工作,并将电流储存至充电电池中,已备使用。本文不同于以往研究成果的一大特点就是实现了断续充电,这对于提升能量收集效率,进一步开发能量收集器有着直接的指导意义。

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,根据其压电耦合系数的不同,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10V);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[3],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。111 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,最后连接充电锂离子电池,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。

图1 压电振动能量收集技术流程图

112 模型系统功能

¹能够利用振动对锂离子电池进行充电。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。

º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。

»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。

¼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]

。

本文采用上海如韵公司出产的CN3063作为主控芯片对锂电池进行充电,CN3063可以直接从外部获取4135~6V 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,并且可将一节锂电池恒流充电达500mA 。CN3063包含两个漏极开路输出的状态指示输出端,CH RG 充电状态指示端和DON E 充电结束指示输出端,当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时,CN3063开始对电池充电,CH 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(FB)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 1确定。内部的8位模拟-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CN3063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锂电池充电应用。

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10V 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C5上,当C5电压达到CN3063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2所示。

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第3期任思源等:基于压电材料的振动能量收集试验研究