基于壓電技術(shù)的振動能量收集器的研究分析牛進(jìn)才

劉文慧

摘要：以壓電技術(shù)為原理設(shè)計(jì)的振動能量收集系統(tǒng)，將環(huán)境中廣泛存在的振動能量收集起來，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的供電方式提供了一種有效途徑.本文研究了國內(nèi)外基于振動方式的能量回收系統(tǒng)電路，并對這些電路進(jìn)行了仿真分析比較.

關(guān)鍵詞：自供式電源;壓電技術(shù);振動能量系統(tǒng);接口電路

中圖分類號：TN712.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）02-0022-04

隨著“物聯(lián)網(wǎng)+”和人工智能的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用.而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)重要因素就是其供電問題.若采用常規(guī)電源為無線傳感網(wǎng)絡(luò)供電，必須定期對電源進(jìn)行更換維護(hù)，且物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，維護(hù)起來較為繁瑣.自供式電源為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的供電問題提供了一種有效的解決方案.自然界中存在各種形式的能源，例如太陽能，風(fēng)能，熱能，振動能等.不同能量的密度不同，雖然振動能量的回收功率僅有微瓦或毫瓦級，但可以滿足微功耗系統(tǒng)以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電源需求.

1 振動能量的收集裝置

能夠收集振動能量的裝置種類較多，根據(jù)振動電源所需的能量來源途徑以及收集方式的不同，可將其分為靜電式、電磁式和壓電式等.靜電式電源利用靜電效應(yīng)，將機(jī)械振動的能量轉(zhuǎn)變成電能，但其需要外部電源來維持系統(tǒng)工作.當(dāng)靜電式收集裝置在搜集振動能量時(shí)，先有外部電源對其電容進(jìn)行充電.當(dāng)振動源發(fā)生振動時(shí)，電容儲存的電荷發(fā)生移動，進(jìn)而在收集裝置內(nèi)部形成電流，為外部負(fù)載提供電能.由于靜電式需外部電源，因此限制了其在無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用.

電磁式收集裝置利用法拉第電磁感應(yīng)原理進(jìn)行能量的收集.感應(yīng)電動勢的大小與磁通對時(shí)間的變化率成正比，線圈匝數(shù)和電磁頻率影響感應(yīng)電動勢的大小.增大線圈匝數(shù)，則回收裝置系統(tǒng)的體積也相對增大，且振動源的振動頻率分布范圍較.若將回收裝置放在低頻的振動源中，此時(shí)回收裝置輸出的電壓較小，不能驅(qū)動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作.且電磁式收集裝置容易受到電磁干擾，限制了其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用.

壓電式能量回收器是利用壓電材料進(jìn)行能量收集.當(dāng)壓電片受力時(shí)，壓電材料發(fā)生形變并在其內(nèi)部產(chǎn)生電場，壓電片發(fā)生極化效應(yīng)，此時(shí)壓電片表面形成極性相反的電荷.當(dāng)振動源的振動力消失時(shí)，壓電片又恢復(fù)原來不帶電狀態(tài).在振動力的作用使附在壓電材料表面的電荷間距減小，極化強(qiáng)度變小，此時(shí)若有導(dǎo)線連接，電荷就會沿著導(dǎo)線定向移動.在此過程中，利用壓電材料將振動能轉(zhuǎn)化成電能，進(jìn)而為低功耗無線網(wǎng)絡(luò)供電.壓電式能量回收器具有能量密度較高，不受電磁干擾，回收器裝置結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此可將其作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)電源的一種有效方式.

2 振動能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為低功耗無線網(wǎng)絡(luò)提供電源，要求能量回收系統(tǒng)高效地提取壓電材料從振動源俘獲的能量，而且還要滿足負(fù)載系統(tǒng)的功率要求.因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要保證收集系統(tǒng)自身損耗較低，而且還需要從復(fù)雜的振動源里面俘獲更多的能量，同時(shí)高效率地為負(fù)載系統(tǒng)供電.為了滿足上述指標(biāo)，首先對能量回收系統(tǒng)的發(fā)電裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使能量收集器以最大功率從振動源獲取能量;其次對能量回收系統(tǒng)的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能將壓電材料獲取的振動能高效地提供給負(fù)載;其次要滿足能量收集器能夠?yàn)樨?fù)載提供足夠的功率，同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)的能量收集系統(tǒng)自身損耗較低.

傳統(tǒng)的壓電片是由壓電陶瓷（Piezoelectric ceramic transducer，PZT）做成，壓電陶瓷具有較大的壓電常數(shù)，適合做能量收集器的發(fā)電裝置材料.但其在振動源受到較大的機(jī)械振動時(shí)，壓電陶瓷容易碎裂，因此限制了其在能量回收系統(tǒng)的利用.隨著高分子材料的發(fā)展，利用柔性更大的壓電材料聚偏氟乙烯制作成壓電片（Polyvinylidene fluoride，PVDF）.相對于壓電陶瓷，PVDF有著更好的柔性，在高頻和壓力下獲取的能量更多，可利用時(shí)間更長，壓電片的阻抗更小，質(zhì)量較輕[1].Sun和Qin等學(xué)者用新型復(fù)合材料馳豫型鐵電體PMN-PT做成壓電片，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明用PMN-PT作為能量收集系統(tǒng)的發(fā)電裝置，壓電片也可以輸出較高的電壓和功率[2].

影響能量收集裝置的因素不僅與收集裝置的材料有關(guān)，而且與采集裝置的結(jié)構(gòu)相關(guān).目前壓電式能量采集裝置的結(jié)構(gòu)主要有懸臂梁、簡支梁，矩形梁以及圓形和鈸型結(jié)構(gòu)等.懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電片應(yīng)用較早，其主要優(yōu)點(diǎn)為：壓電片結(jié)構(gòu)簡單，制造方便;有利于降低懸臂梁的自振頻率，使采集裝置在振動源更容易發(fā)生共振，提高采集裝置的俘獲能量的能力.除懸臂梁的結(jié)構(gòu)外，還可以采用圓形和鈸型結(jié)構(gòu)等來設(shè)計(jì)能量收集裝置.當(dāng)壓電片受到振動源的壓力時(shí)，由于采集裝置設(shè)計(jì)成圓盤形結(jié)構(gòu)，其受力相對于其他結(jié)構(gòu)來說，圓盤形面積受力更加均勻，能量采集裝置可以更為有效俘獲振動源的能量，提高收集能量的效率.

壓電裝置的工作狀態(tài)影響采集裝置俘獲的能量，目前壓電裝置的有效工作狀態(tài)主要有d31轉(zhuǎn)換模式，這種轉(zhuǎn)換模式是振動方向與極化方向處于垂直狀態(tài).Roundy等人對d31轉(zhuǎn)換模式通過大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，d31模式下的機(jī)電耦合系數(shù)較高，在低頻振動下，利用壓電材料能夠俘獲更多的振動能.d31轉(zhuǎn)化模式的材料結(jié)構(gòu)更容易制作，其系統(tǒng)的固有頻率較低，適合于在振動源頻率低的環(huán)境中應(yīng)用.d33轉(zhuǎn)換模式也是壓電裝置的一種有效工作狀態(tài)，其特點(diǎn)有：當(dāng)振動源對壓電材料施加壓力時(shí)，壓電材料發(fā)生形變的作用力方向與極化方向相同;d33模式與d31模式相比，d33模式的機(jī)電耦合系數(shù)更大，俘獲振動源的能量更多，其將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的效率更高.

3 振動能量收集器的電路設(shè)計(jì)分析

3.1 經(jīng)典采集電路

由于環(huán)境中的振動源比較復(fù)雜，振動頻率的范圍較大，壓電片受到的壓力波動較大，高效和適應(yīng)范圍廣的能量回收系統(tǒng)接口電路很難實(shí)現(xiàn).因此在設(shè)計(jì)能量回收系統(tǒng)的接口電路時(shí)，首先建立起壓電片的等效電路模型，然后根據(jù)振動源的物理特性來設(shè)計(jì)高效的能量收集器.Ottman和Hofmann等學(xué)者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以將壓電片的模型等效為一個(gè)交流電流源和一個(gè)電容的并聯(lián)[3]，如圖1所示.

經(jīng)典的能量回收系統(tǒng)的接口電路如圖2所示，接口電路有四個(gè)二極管構(gòu)成一個(gè)全波整流電路，四個(gè)二極管交替導(dǎo)通，當(dāng)壓電片兩端電壓大于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，對電容Cr充電獲取電能，同時(shí)對負(fù)載供電.若選擇合適的電容Cr，當(dāng)壓電片電壓較小時(shí)，電容Cr將會對負(fù)載供電.對接口電路進(jìn)行仿真分析，得出負(fù)載和頻率的功率關(guān)系如圖3-4所示.由此可以看出，經(jīng)典的振動能量回收系統(tǒng)的功率與負(fù)載有關(guān)，且隨著負(fù)載變化先增大后減小.說明能量回收系統(tǒng)存在一個(gè)最大功率負(fù)載，且功率隨著頻率的增大下降較快.然而環(huán)境中振動源的頻率范圍較廣，低功耗無線傳感器阻抗范圍波動較大，因此傳統(tǒng)的接口電路并不能適應(yīng)實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)電源需求.

3.2 同步電荷提取電路

文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種新型的接口電路，同步電荷提取電路（Synchronous charge extraction circuit，SCE），電路圖如圖5所示.當(dāng)壓電片兩端電荷達(dá)到最大值時(shí)，閉合開關(guān)S1A，此時(shí)可將壓電片的電荷轉(zhuǎn)移至電感上，當(dāng)壓電片的電荷全部轉(zhuǎn)移至電感時(shí)斷開開關(guān)，此時(shí)電感對濾波電容C1充電，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載供電.在電感對Cr充電時(shí)要保證充電時(shí)間小于壓電片的積累電荷的時(shí)間，即小于機(jī)械振動周期.

對同步電荷提取電路進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖6-7所示，從圖中可知將同步電荷提取電路用作接口電路時(shí)，能量收集系統(tǒng)得到的功率隨負(fù)載變化波動較小，且獲得的功率數(shù)值是經(jīng)典接口電路的2倍，因此同步電荷提取電路適合做接口電路.但其也有一些弊端，當(dāng)振動源的頻率波動較大時(shí)，同步電荷提取電路收集的能量波動較大，且此接口電路需要脈沖信號控制系統(tǒng)對壓電片的電荷積累和提取進(jìn)行控制，不適用于做自供電式的電源.

基于上述原因文獻(xiàn)[5]對經(jīng)典的同步電荷提取電路進(jìn)行了改進(jìn)，如圖8所示.改進(jìn)型的同步電荷提取電路工作狀態(tài)共分為四個(gè)階段：第一階段，電流經(jīng)過晶體管Q1，D2正向?qū)﹄娙軨1，C2充電;第二階段，當(dāng)壓電片受到反向壓力時(shí)，電容C1兩端電壓降低，晶閘管D1，D2反向截止不能對電容C2充電;第三階段為能量提取階段，電容C2與晶閘管D1，電感L2，晶體管Q4構(gòu)成LC振蕩電路，當(dāng)電容C1經(jīng)過1/4LC振蕩周期時(shí)，電容C2經(jīng)過D4，D1，Q2，Q4放電，此時(shí)L2儲存能量較大，C2經(jīng)過放電之后兩端電壓不能使Q2，Q4導(dǎo)通;第四階段L2經(jīng)過二極管D5，把能量存儲到C4供給負(fù)載.負(fù)載獲取的能量是標(biāo)準(zhǔn)提取電路的3倍，且不需要額外的控制電路，為自供電式電源的設(shè)計(jì)提供了一種有效的途徑.

3.3 并聯(lián)電感同步收集電路

Guyomar和Badel等人建立了并聯(lián)電感同步收集電路（Synchronized Switch Harvesting on Inductor，P-SSHI）如圖9所示[6]，電路中壓電片并聯(lián)電感和開關(guān)后與整流電路連接，當(dāng)壓電材料受到振動源的最大壓力時(shí)，開關(guān)閉合，電感發(fā)生LC振蕩，開關(guān)經(jīng)過半個(gè)振蕩周期后斷開.此時(shí)電流橋處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)振動源對壓電片的壓力達(dá)到一定程度時(shí)，整流橋?qū)ǎ瑝弘娖_始對濾波電容C1和負(fù)載充電.

對P-SSHI電路仿真結(jié)果如圖10-11所示，并聯(lián)電感同步開關(guān)電路作為接口電路時(shí)，獲得的功率比經(jīng)典接口電路和同步電荷接口電路高，但其需要脈沖控制，且隨著頻率的波動，收集功率也會波動.因此原始的并聯(lián)電感同步開關(guān)接口電路也不適合自供式的振動能量收集器.

文獻(xiàn)[7-8]對并聯(lián)電感同步開關(guān)接口電路進(jìn)行了改進(jìn)，稱之為自供電式接口電路，如圖12所示.此接口電路由三部分組成：第一部分主要是由壓電材料和外圍電路的控制電路開關(guān)MOS管組成，用于收集振動源的能量;第二部分主要是由異或門和放大器搭建的控制電路，控制電路接入了兩個(gè)二階RC電路，再由異或門電路搭建的數(shù)字電路連接RC電路，將壓電片輸出的電壓進(jìn)入異或門的輸入，將輸出的電壓作為同步開關(guān)的控制電壓.從異或門輸出的即為同步開關(guān)的控制電壓，此控制電路避免了外部電源供電;第三部分是由電容C5，二極管D6-D8組成的直流供電部分，為負(fù)載供電.自供電式同步開關(guān)控制接口電路能夠有效提高輸出功率，且不需要外部電源.

4 結(jié)束語

本文研究分析了基于壓電方式的振動能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程.首先介紹了振動能量收集器在低功耗無線傳感器技術(shù)的應(yīng)用前景，然后研究分析了能量收集系統(tǒng)的發(fā)電裝置和接口電路.對國內(nèi)外振動能量收集器的接口電路，進(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)分析負(fù)載和頻率對功率的影響.振動能量收集系統(tǒng)的功率隨著負(fù)載的變化發(fā)生變化，能量收集系統(tǒng)存在一個(gè)最優(yōu)負(fù)載，且收集系統(tǒng)對負(fù)載提供的功率受振動源頻率的波動較大.

目前適用于復(fù)雜振動源的振動收集裝置尚在研究之中，且經(jīng)典的接口電路不能廣泛適用實(shí)際的復(fù)雜振動源.要針對環(huán)境中具體的振動源的特性，通過改進(jìn)各種經(jīng)典的接口電路來設(shè)計(jì)振動能量收集器，才能廣泛應(yīng)用到低功耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò).

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