弱振动环境中有直流压电变换器的压电俘能器

弱振动环境中有直流压电变换器的压电俘能器

近年来，微器在军事和民用领域的应用越来越广泛。因此，问题是如何有效地为微器提供能量，确保其安全稳定。一个更有效的替代品传统电池方法是直接从环境中提取能量，并将能量发送到这些设备。这些机器可以在无线无线干扰能，称为干扰能。通过对机械振动、噪声、热、声波等环境能量和征服手段的分析，获得了以下结论。压力斗争器的泵效率最高，是最发达的。由于压电俘能器的俘能过程与压电结构和储能电路的工作性态都密切相关,因此必须将两部分耦合起来分析才能得到恰当的结果.但早期从结构分析出发对压电俘能器的研究,主要集中于通过优化压电结构来提高输出功率,而对储能电路以及储能电路与压电结构的相互作用关注不够.从实验调查结果来看:一些器件工作环境中的振动水平有时是很低的,这将导致压电俘能结构输出的整流电压低于电池的充电电压,若不设计辅助设施进行升压,则不能实现对化学电池的有效充电.因此,设计了一种针对弱振源、带有直流升压变换器的压电俘能器,该俘能器能高效地从这类环境中提取能量.1整流桥的调节电路设计如图1所示:压电俘能器由俘能结构、储能电池和调节电路三个主要的部分构成.带有附加质量m0的双晶片压电梁为俘能结构,在固定端处受到频率为ω0的外激励,从而使压电结构因力电转换而产生交流电流.交流电流流过调节电路后被转化成直流电,并被输送到储能电池.整流电路由三个部件组成,即整流桥、滤波电容Crect和直流升压变换器.整流桥的特点是当压电端输出电压的绝对值低于右端时断开、高于时导通.Crect是一个能量中转站,它将压电结构俘获的能量平稳传输到电路部分,其两端电压为整流电压Vrect,通过选取适当的整流电压可以使压电结构有最大的输出功率.显然,Vrect的最优值取决于环境振动水平,而环境振动的振幅和频率都可能会发生变化,因此,需要设计一个电路来调节整流电压的大小而使得俘能结构工作在最优化状态.另外,在弱振源的激励下,压电结构的输出电压很低,可能出现Vrect<Vb现象(Vb为电池电压),需要对Vrect进行升压处理.直流升压变换器正好具备这两种功能,故在调节电路中引进了一个直流升压变换器.直流升压变换器由四个主要部件构成:一是晶体管开关M1,二是二极管D1,三是用以能量中转的电感L,四是起滤波作用的电容器C1.M1用来控制调节电路中占空比D,即一个充电周期TS内开关导通时间ton与TS的比值.称fS=1/TS为开关频率,在此取fS=1000Hz.2电池电流的流动当M1处于导通状态时,压电端把从外界俘获的能量传递给电感,在晶体管开关断开后,二极管在正压的作用下导通,L和C1被连接起来,电感把在M1导通时所获得的能量释放出来,iL将从最大值减小到零.当iL变为零时,电感已将所储的能量释放完,D1重新断开,这表示在M1断开状态D1经历两个子阶段(闭合与断开).在D1闭合时,电感把所储存的能量释放给C1;在D1断开后,滤波电容C1将继续平缓地释放能量给充电电池,直到下一个充电周期的到来.将这两个子状态时间段分别表示为Δ1TS和Δ2TS.升压变换器两端电压比与占空比满足如下关系:Vb/Vrect=(D+Δ1)/Δ1.(1)Vb/Vrect=(D+Δ1)/Δ1.(1)而Δ2=1-D-Δ1,所以需要根据能量平衡条件来确定的量只有占空比D.电池的整个充电过程和一个充电周期相比非常长,所以在一个充电周期内,电池电压的变化非常小(取为常值).对于一个可充电化学电池,都有一个最大允许充电电流值,即限电电流值,记为Im.若取Im等于外激励水平为ω2020A=1时的最大充电电流,则当ω20A≤1时,充电电流I0≤Im.在一个充电周期内,应满足电池的平均输入功率等于整流端的平均输出功率,即Ι0Vb=Vrect〈Ιrect〉,(2)I0Vb=Vrect⟨Irect⟩,(2)式中〈Irect〉=(1/T0)∫Τ00T00irectdt,irect为整流电流,T0=2π/ω0为外激励周期.这里忽略了由于电压升高而被滤波电容吸收掉的能量,因为这部分只是一个很小的量.当ω2020A≤1时,I0随着外激励水平的升高而增大.而当ω20A>1时,I0将被固定在最大允许充电电流值Im,即Ι0={(Vrect/Vc)〈Ιrect〉Ιm(ω20A≤1),(ω20A>1).(3)下面分析充电过程中的电流流动情况.阶段10≤t≤DTS,M1导通,D1断开.iL,i1和i2分别代表流经电感L,滤波电容C1和电池的电流,由基尔霍夫电流定律得到iL=(Vrect/L)t,i2=-i1=Ι0.(4)阶段2DTS≤t≤(D+Δ1)TS,M1断开,D1导通,由基尔霍夫电流定律得到{iL=(1/L)(VbDΤS-(Vb-Vrect)t),i2=Ι0；i1=iL-i2=(1/L)(VbDΤS-(Vb-Vrect)t)-Ι0.(5)阶段3(D+Δ1)TS≤t≤TS,M1和D1都断开,由基尔霍夫电流定律得到iL=0,i2=-i1=Ι0.(6)因此可以定义电感L上的平均输出电流〈Ιout〉=1ΤS∫ΤS0iLdt=1ΤS∫(D+Δ1)ΤSDΤSiLdt=V2rect2(Vb-Vrect)LD2ΤS.(7)从而得到一个充电周期TS内从压电元件转移到充电电池的输入能量Win=〈Ιout〉VbΤS=VbV2rect2(Vb-Vrect)LD2Τ2S.(8)忽略电路能耗,则一个TS内充电电池所吸收的能量应等于输入能量,即Win=Wb=Ι0VbΤS.(9)由式(8)和(9)化简得到占空比D=√[2LfS(Vb-Vrect)/V2rect]Ι0.(10)3受害者电流i2的特性以PZT-5H为例,其密度ρ0=7500kg/m3,材料参数如下:s11=16.5×10-12m2/N,d31=-274×10-12C/N,ε33=3400ε0,ε0=8.854×10-12F/m.中间金属层为铝合金,其弹性模量E=70GPa,密度ρ=2700kg/m3.设外激励的振动频率f=100Hz,即繁忙街道旁的窗户边或繁忙办公室地面的振动频率.在计算中选取压电板的宽度b=10mm,压电板与中间金属层的厚度比c/h=0.4,长高比l/(c+h)=42,压电梁的总体积2lb(c+h)=1cm3,附加质量为10倍压电梁的质量.电路及电池参数取Crect=20mF,C1=2.2mF,L=100mH,Vb=2.3V.图2给出了流经电容C1的电流i1,流入电池的电流i2以及流经电感L的电流iL在一个充电周期TS内随时间的变化规律.可以看到在充电的阶段1和阶段2,iL有剧烈变化,而在整个充电周期内流入电池的电流i2都是很平稳的,这说明滤波电容C1能很有效地收集电感传递过来的能量并更平缓地释放给电池.图3所示为俘能器的输出功率密度随整流电压Vrect的变化曲线.其中实线是以繁忙街道旁窗户附近的振动为例计算得到的,其振动加速度为ω20A=0.7m/s2;虚线是以繁忙办公室地面为振源的情况,其振动加速度为ω20A=0.2m/s2.两种情况下俘能器的输出功率都是先随着整流电压的增大而增大,分别到达各自峰值P1和P2之后便随其增大而减小.相比较而言,振动加速度较大时对应的输出功率也较大.直流升压变换器的占空比D是电路中的一个非常重要的参量,通过调节占空比的大小可以控制从整流端到充电电路的能量输入大小,从而达到调节整流电压而使俘能端能有最大输出能量的目的.图4为占空比D随整流电压的变化曲线,从中可见D随Vrect的增大而减小,当整流电压接近充电电压的时候,占空比趋近于零.说明整流电压和充电电压的压差越大,越需要直流升压变换器来对两端进行协调,当Vrect=Vb时,M1一直断开而D1一直导通,直流升压变换器失去功效,整流端直接对电池充电.图5给出的是压电俘能器在有无直流升压变换器情况下充电效率比较图.在无直流升压变换器情况下,当ω20A≤0.54m/s2时,整流电压小