壓電材料的蓄電和放電系統

丁 寶， 王林月， 吳智量

(廣州大學 物理與電子工程學院 ,廣東 廣州 510006)

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壓電材料的蓄電和放電系統

丁 寶， 王林月， 吳智量

(廣州大學 物理與電子工程學院 ,廣東 廣州 510006)

根據壓電效應理論，自制了PZT-5H壓電陶瓷和磷青銅基板構成雙晶壓電振子,作為基本元件，使機械能轉換電能的效率最大。配合橡膠與彈簧，構建坐壓式壓電發電裝置，經全橋整流后，采集能量，并經放大后，充入蓄電池中存儲起來。利用ARM單片機構建智能控制蓄電放電系統，對壓電裝置的發電實時監測，同時人工選擇不同方向供電，提高能源率。該系統可以用在公交等汽車的座位上人流量大的地方推廣應用，將人壓座位的動能轉化為電能，向汽車上的周圍裝置供電。

壓電振子； 壓電發電裝置； 控制蓄電放電系統

0 引 言

隨著世界工業經濟的發展、人口的劇增，導致了資源的日益缺乏和世界氣候的日益惡化。因此，新能源綠色環保技術己成為當今的研究熱點，而壓電發電技術符合新能源的環保、低碳要求，受到各國研究人員的重視和關注。

在公交汽車上，每天都有不計其數的人坐在座位上，而且在1 d內的某幾個時間段內，會有人不斷壓座位，座位則在經受壓的作用產生應力、應變、位移以及一定程度的振動。此時，座位將從重力的做功中獲取動能。因此，如果將這些振動能量收集起來，轉換為電能的形式加以利用，不但能減少結構損傷、降低噪聲、減輕環境污染，而且對人類社會日益匿乏的能源將是一個補充。

基于壓電材料的振動能量采集技術是一種綠色環保技術，符合當今社會“低碳”的主題，而且對于一些低功耗的元器件，壓電電源能夠滿足其自供電的要求，同時還具有較長的壽命，應用前景廣闊。本文以壓電電源為應用前景，研發了一種新型“純電動汽車能源自供系統”，開發了坐壓式新型壓電發電裝置，脈沖式能量采集電路，能夠間斷存儲脈沖電量的新型蓄電系統，利用所需電能驅動汽車上小燈照明或者為乘客提供手機充電裝置等。

1 系統的整體架構

用PZT-5H壓電陶瓷和磷青銅作原材料自制壓電振子，建立數學模型分析其結構參數對輸出功率的影響，并結合實驗驗證，確定最佳的振子結構，并以此結構制作對應的壓電振子。

設計懸臂梁式壓電發電模塊，懸臂梁支撐方式適合于低激勵水平下的壓電發電裝置。利用橡膠作為緩沖物，防止形變時超出振子可承受的限度，提升了振子的抗疲勞性能。

利用STM32嵌入式內核，開發智能控制蓄電放電系統并實現以下功能：①對中型壓電發電裝置所發電能實時采集監測；②對蓄電池電量實時監測；③控制蓄電電池供電去向，如照明燈，低功耗充電裝置等。該系統設計的操作流程大概如圖1所示。

圖1 裝置應用流程圖

2 系統結構的劃分和設計

2.1 自制壓電振子

(1)壓電效應及壓電陶瓷。壓電效應就是機械能與電能之間的轉換，即壓電材料在外界振動激勵作用下發生形變，引起材料內部應力的變化，其內部電荷產生電位移從而產生了電場。反過來，當給壓電材料加以交流電時，壓電材料也能產生機械振動，即稱作逆壓電效應。正壓電效應使得壓電材料本身就具有傳感器的性能。

當外力作用到壓電陶瓷上并引起材料變形，材料內部正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小，因此原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現放電現象；當壓力撤消后，陶瓷片回復原狀，片內的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷而出現充電現象，電荷在電路中移動實現對外部負載做功，向外輸出電能，如圖2所示。

圖2 壓電發電原子示意圖

(2)壓電振子。能受外加交變信號的激勵而形成振動的壓電晶體或壓電晶體與彈性體的連接體稱為壓電振子。壓電轉換就是通過壓電振子的正壓電效應和逆壓電效應實現的機械振動能和電能之間的相互轉化。

(3)壓電陶瓷的制作。PZT陶瓷的制備：取一定量的PZT粉末與適量的5%PVA膠液在瑪瑙研缽中均勻混合,然后在不銹鋼模具壓力6 MPa下，制得生坯。以3 ℃/min的速率在箱式硅碳棒電爐中加熱到550 ℃,保溫1 h后，除去PVA。然后再1 050 ℃的高溫下進行燒結，將燒結好的PZT陶瓷片的兩個平行表面拋光處理,拋光面均勻地涂上銀漿,烘干燒滲后，還原出來的銀滲入瓷件表面，并與之緊密結合。在一定條件下對制得的PZT陶瓷進行極化處理，使陶瓷晶體中的鐵電疇在外加電場作用下沿電場方向定向排列,呈現極性,顯示出壓電效應。流程圖如圖3所示。

圖3 PZT陶瓷的制備工藝

將制作好的壓電陶瓷切割并黏貼到磷青銅基板上，則可制作出壓電振子，壓電振子的結構對其電壓、電流、功率等輸出特性有著極大的影響。

(4)壓電振子輸出特性。將壓電振子一端基板部分露出作為固定支撐端；另一端自由，在自由端基板露出部分上端和激振器的振動頭連接。通過信號發生器輸出控制信號，激振器帶動振動頭產生固定頻率的振動，并將振動傳遞給懸鼻梁支撐的壓電振子，使振子產生上下彎曲變形振動，則壓電片在彎曲變形下產生電量，通過示波器可觀測到壓電振子發電的情況。

2.2 坐壓式壓電發電裝置

使用材料：組裝好壓電發電單位模塊×15，40 cm×30 cm有機玻璃板×2，16 cm螺釘×4。

原理：將15套壓電發電模塊置于兩層板的有機玻璃板中間，按3×5的方式排列。

設計示意圖見圖4。

圖4 坐壓式壓電發電模型

2.3 控制蓄電放電系統

從壓電發電裝置輸出的電能具有高電壓、低電流的缺陷，不能滿足多數負載工作的要求，因此，需要將電量存儲后再為負載供電，以蓄電池作為儲能元件。

圖5 以蓄電池為儲能元件的存儲電路

當輸入的直流電流電壓10～16 V經R4向C5充電，當C5充至5 V時，MAX712芯片內的分流器將5 V電壓分壓給相關各級。當電池電壓過低時，電路對電池進行慢速充電，當電池電壓大于一定值時，進行快速充電，即經VT3,L1,D4向電池充電。

2.4 監測與控制系統

設計思路：STM32核心板驅動彩屏顯示，聯合壓電發電裝置組建智能控制、檢測系統，設計顯示操作頁面，實時檢測發電效果以及充電情況，同時可人工選擇向不同的負載供電。

系統主要包括三大塊功能。基本信息顯示：時間，地點等基本信息;蓄電情況監測：已充電時間，充電電壓，已有電量等；供電方向控制：人工選擇供電方向。

3 結 語

壓電發電裝置主要是用來收集人在乘車過程中的能量，從而為電動車電池充電和其他的低功耗電路或者設備提供電能，在具有持續或者間隙性作用力的環境中，它可以替代有線電源或者電池，為系統提供部分電力供應，降低系統的使用和維護成本。隨著現階段的能源緊缺，壓電發電裝置在電動車上將會成為未來的發展方向。

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Pure Electric Vehicle Energy Systems Confession

DINGBao,WANGLin-yue，WUZhi-liang

(College of Physics and Electronics, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Based on piezoelectric effect theory, homemade piezoelectric ceramic PZT-5H and phosphor bronze substrate composition twin piezoelectric vibrator are taken as basic elements, and then we maximize the efficiency of mechanical energy converting to electrical energy, and use rubber and spring to built the pressure type piezoelectric power generation device. By using full bridge rectifier, energy is collected, after amplification, and stored in the battery. Using ARM microcontroller system, an intelligent control is built to manage the charge and discharge of batteries, monitor real-time condition for the piezoelectric device. The power supply can be selected artificially to different directions at the same time, so that the rate of energy increases. The system can be used in places with big stream of popularization, such as car seats of public transportation, After people sit, the kinetic energy is transferred into electricity, which can supply power to the surrounding device on the car. This will realize the development and application of new energy and protect environment with low carbon.

piezoelectric vibrator; piezoelectric generator; controlled storage and discharge system

2014-06-30

丁 寶(1990-),男,廣東茂名人,在讀碩士研究生，主要從事光電子技術應用和激光技術應用研究。

Tel.:020-15920145782; E-mail:2475676390@qq.com

TN 35

A

1006-7167(2015)04-0063-03