压电能量收集与储存装置的设计

亚穆纳河。m B¹， K. Shanmukha Sundar²

PG学生[电力电子]，EEE系，Dayananda Sagar工程学院，班加罗尔，卡纳塔克邦，印度
印度卡纳塔克邦班加罗尔达亚南达萨加尔工程学院EEE系教授兼系主任

摘要

压电能量收集是电力电子学中一个非常重要的概念。能量收集可以定义为获取系统周围的能量并将其转换为电能以供使用的过程。压电式能量收集是最可靠、最节能的方法之一。压电材料的晶体结构提供了将机械应变能转化为电能的能力。它还具有将电势转换为机械应变的能力。压电陶瓷产生的功率是交流波，不直接用于电池充电，因此我们使用整流电路将交流转换为直流，升压转换器升压，并使用锂离子电池充电电路最终为锂离子/锂聚合物电池充电。

关键字

采购产品压电陶瓷，能量收集，压电，转换器，数据采集(DAQ)单元，电池存储。

我的介绍。

压电电流是由于施加在其上的机械应变而积累的电荷量。最近在微电子机械系统技术的进步创造了便携式电子产品的需求迅速增长。便携式设备自带电源也变得更加必要。在大多数情况下，传统电池是这些设备的最佳选择。机械振动发电利用能量收集装置周围的振动作为能量来源，并将其转化为有用的电能，从而为其他设备提供动力。捕获电子系统周围的能量并将其转换为可用的电能，从而延长电源的使用寿命或提供无穷无尽的能量供应的想法吸引了许多研究人员，并引起了对能量收集的关注。获取系统周围能量的一种方法是使用压电材料。压电材料具有交换电能和机械能的独特能力。这种特性允许它们被用来吸收系统周围的机械能，通常是环境振动，并将其转化为电能，可以用来驱动其他设备。

本文提出了利用压电陶瓷储存能量的有效方法。使用压电陶瓷产生电能是非常可靠的，可以为任何便携式设备供电。压电陶瓷的基本概念是施加在陶瓷上的机械应变，如双晶或单晶压电，将其转化为电能。在当今的情况下，其中有巨大的能源需求，压电概念的想法工作得很好。

2相关工作

当压电材料被用作从周围环境收集能量的手段时，在大多数情况下，必须使用储存所产生能量的手段。如果没有积累大量的能量，电力收集系统将不是大多数电子产品的可行电源。电池一直是大多数电力驱动设备的电源。然而，电池有限的寿命和物理尺寸使得传统电池无法应用于一些功耗关键或免维护的实时嵌入式应用，如无线传感器、骨科植入物等。压电式能量收集方法有几个优点，比如:体积小，可以定制形状。以前使用压电发电的技术主要集中在通用发电(即任何低功率电气设备)。这些研究表明，普通鞋子中的压电装置可以产生足够的电力，在行走过程中为遥测识别标签供电数米。压电的这项工作导致了紧凑，免维护和成本效益的系统设计，其中人类的日常活动，如散步，慢跑，跑步等可以用于产生电能。

3压电陶瓷电压采集

压电陶瓷的电压采集是压电能量采集的重要环节。这是一个过程，在这一过程中，压电陶瓷，如单晶或双晶压电受到振动，机械应力因此施加到它转换成电压。这是为能量收集电路提供的输入电压。能量收集是从周围收集能量并将其转化为电能。压电电是由于施加在压电上的机械应变而积累的电荷量。压电陶瓷安装在悬臂梁上，并使用激振器进行激发。这从施加在压电陶瓷上的机械应变产生电能，这个电信号被DAQ(数据采集)单元感知和获取。从压电陶瓷中获得的电能用于能量收集，可用于不同的目的。悬臂梁的固有频率由下式计算。第一自然频率，

式中ω=悬臂梁的固有频率

E=杨氏模量(N/Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½2)

ρ=密度(kg/Ã¯Â¿Â½Ã¯Â¿Â½3)

L=悬臂梁长度(cm)

压电陶瓷电压采集装置框图如图3.1所示。它由压电陶瓷组成，利用振动器振动，由加速度计驱动。加速度计为激振器提供输入，激振器振动安装在悬臂梁上的压电陶瓷。这就在压电陶瓷上产生了机械应变，并将其转化为电能。数据采集单元(DAQ)用于采集压电陶瓷产生的数据，并使用labview软件表示为波形。

市电提供交流电230V，使用降压变压器可降至110V。该变压器提供110V作为功率放大器的输入。功率放大器对信号进行放大并馈送到激振器。激振器是用来产生振动的悬臂梁上的压电已安装。激振器产生的振动激励梁，从而施加机械应力产生能量。压电陶瓷产生的能量是通过数据采集单元获取的，数据采集单元由美国国家仪器公司开发的labview软件存储。

4提出拓扑

压电陶瓷能量收集模块的拓扑结构如下图所示。该电路由压电陶瓷、整流器、DC-DC Boost转换器、电池充电电路和电池等存储装置组成。

图2为本文提出的能量收集模块电路图。它由压电陶瓷组成，当受到振动时产生机械能，可以转化为电能。这样我们就得到了一个期望振幅的交流信号。压电陶瓷产生的电压会有一些波纹。因此，在将其储存在电池中之前，应该进行纠正和过滤。然后，二极管整流器提供全波整流电压，该电压最初由简单的电容滤波器滤波以产生直流电压。由此产生的直流电压通常仍有一些纹波或交流电压的变化。即使输入直流电压发生变化，或连接到输出直流电压的负载发生变化，稳压电路消除波纹，也保持相同的直流值。这种电压调节通常使用一种流行的电压调节IC单元。从整流电路获得的直流信号输入DC - DC升压变换器，升压变换器将电压提升后再应用到电池充电电路中。 The battery charging circuit designed using MCP 73862 Ic is used to charge lithium ion/ lithium polymer batteries. The MCP73862 is a highly advanced Single or Dual Cell, Fully Integrated Li-Ion/Li-Polymer Charge Management Controllers. They are linear charge management controllers for use in space-limited, costsensitive applications. The device combine high-accuracy, constant voltage and current regulation, cell preconditioning, cell temperature monitoring, advanced safety timers, automatic charge termination, internal current sensing, reverseblocking protection, charge status and fault indication. Thus at the final stage, the lithium polymer battery is used to store the charge obtained from the piezo ceramic which can be used in electrical applications.

工作原理:

全波桥式整流器:

全波桥式整流器使用四个单独的整流二极管连接在一个闭环桥配置，以产生所需的输出。这种桥式电路的主要优点是它不需要一个特殊的中心抽头变压器，从而减小了它的尺寸和成本。单次绕组连接二极管桥网络的一侧，负载连接到另一侧，如下图所示。

二极管桥式整流器

标记为D1至D4的四个二极管排列成串联对，在每个半周期内只有两个二极管导电。在电源的正半周期内，二极管D1和D2串联，而二极管D3和D4反向偏置，电流流过负载，如下图所示。

Boost变换器:

升压是一种流行的非隔离功率级拓扑，有时也称为升压功率级。在设计中经常选择升压功率级，因为所需的输出总是高于输入电压。升压功率级的输入电流是连续的或非脉动的，因为输出二极管只在开关周期的一部分期间导电。输出电容为其余的开关周期提供整个负载电流。升压功率级的简化原理图如下图所示。电感L和电容C组成有效的输出滤波器。分析中包括电容等效串联电阻(ESR) RC和电感直流电阻RL。电阻R表示电源输出所看到的负载。升压变换器设计为仅在连续传导模式(CCM)下工作。

功率级可以在连续或不连续电感电流模式下工作。在连续电感电流模式下，电流在整个开关周期内连续流动，处于稳态工作状态。在不连续电感电流模式下，电感电流在开关周期的一部分为零。它从零开始，达到峰值，并在每个切换周期返回零。功率级在预期工作条件下只停留在一种模式是可取的，因为功率级的频率响应在两种工作模式之间发生了显著变化。

锂聚合物/锂离子电池充电器电路:

采用节省空间的16针4 x 4 QFN封装或16针SOIC封装。MCP7386X提供了一个完整的，功能齐全的，独立的充电管理解决方案与最少数量的外部组件。

MCP73862/4用于双串联电池锂离子或锂聚合物电池组。MCP73862/4有两个可选的电压调节选项(8.2V和8.4V)，用于焦炭或石墨阳极，并在8.7V至12V的输入电压范围内工作。MCP73861/2和MCP73863/4的不同之处在于充电周期完成时充电状态输出(STAT1)的功能。MCP73861/2闪烁输出，而MCP73863/4关闭输出。

五、实验结果

图5显示了用激振器激励压电陶瓷时得到的电压波形。波形中的X轴表示时间(毫秒)，Y轴表示电压(伏特)。电磁波是连续信号，因此在一段时间内，我们获得连续信号，这些信号被过滤，只有在一定的截止范围以上的强信号被存储和使用。激振器由功率放大器供电，功率放大器为激振器提供放大的输入。230V交流电源连接到降压变压器，获得110V交流信号，提供给功率放大器。激振器用于向安装压电的悬臂梁提供振动。

图6显示了通过改变为激振器提供输入的功率放大器的频率而获得的不同输出电压值的曲线图。振动器用来产生振动。保持输入电压恒定在5V，频率从0Hz开始连续变化。在初始电平，没有得到输出电压。在某一输入频率下，输出电压有一个上升趋势，在少数输入频率下持续上升，在50Hz范围后下降。正如我们在图中看到的那样，在200Hz时，输出电压上升，约为1V，在250Hz频率时下降，并保持在0V范围内，以进一步改变频率。

图7显示了连续导通模式下升压变换器的电感电流。当开关关闭时，电感电流上升，能量储存在电感中。该电感电流显示在CCM的图中。

图8为Boost变换器的二极管电流波形。当开关关闭时，电流上升，能量储存在电感器中;当开关打开时，储存在电感器中的能量通过二极管传递给负载，电感器电流下降。因此，通过二极管的电流如图所示。

图9显示了Boost转换器的输出，DC -DC Boost转换器的输入是由整流器提供的，大约是2V, Boost转换器将其增加到5v。在升压变换器中使用的lm2733ic是一种电流模式开关稳压器。它使用小电感和电容器，因此产生最高的功率密度。40V内部开关使这些解决方案完美提升到16v或更高的电压。这些部件有一个逻辑级关机引脚，可用于减少静态电流和延长电池寿命。电路的保护是通过逐周期限流和热关机来提供的。电路中使用的内部补偿简化了设计，减少了元件数量。

六、结论及未来范围

压电能量收集是一个非常有趣的概念，在当今生活中，对能量有很大的需求，它是最合适的，也是非常有效的能量收集方式。压电陶瓷将施加在其上的机械应力转化为电能。这种电能被进一步储存在锂聚合物电池等设备中，这样就可以用于移动电话或其他手持电子设备等便携式设备。它是非常可靠的，因为它利用人的运动，如散步，慢跑等，以产生能量。该项目使用的整流器、DC -DC变换器和电池充电电路的部件数量最少，因此非常紧凑，成本低，未来在硬件上可以不太困难地进行更改。在电路中加入更多的元件是很容易的。

7确认

在我完成这个项目工作的路上，我想对那些直接或间接参与这个项目并使这个项目成为可能的人表示感谢。

我想对我的导师和我们敬爱的博士，K. Shanmukha Sundar博士表示深深的感谢，他是班加罗尔电子电气学院电气与电子系的教授和系主任，他在两年的学位学习中一直是我的灵感来源，并给予了他宝贵的指导和建议。

我还要特别感谢班加罗尔达亚南达萨加尔工程学院(D.S.C.E)的所有教学和非教学人员。

我衷心感谢我亲爱的父母在这个项目的过程中在情感和道德上对我的支持。

参考文献

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