基于壓電能量收集技術(shù)的充電器設(shè)計

摘要：為了解決利用壓電能量收集技術(shù)收集到電能的存儲問題，提出了一種充電器的設(shè)計方案。利用壓電能量收集器和LTC3588—1電源管理芯片為核心的電壓變換電路以及LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路，將收集到的電能變換后存儲到鋰電池。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的充電器能夠輸出4.1V的穩(wěn)定直流電壓來為鋰電池充電，實現(xiàn)了將壓電能收器收集的電能存儲到鋰電池，具有應(yīng)用前景。

引言

近年來，能量的收集日益引起人們的關(guān)注。能量收集是近年來在能源危機中發(fā)展出來的一個新興名詞，和傳統(tǒng)的發(fā)電機產(chǎn)生電能的方式不同，能量收集是希望將環(huán)境中所未能利用的能源將其轉(zhuǎn)換成人們可以使用的電能然后存儲，以達(dá)到能源回收再利用的目的。由于壓電材料具有響應(yīng)速度快，成本低，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，基于壓電材料的能量收集技術(shù)已經(jīng)成為了一種很有發(fā)展前途的能量收集方式，壓電材料通過壓電效應(yīng)可以將周圍的振動能量轉(zhuǎn)換成電能。由于壓電能量收集器產(chǎn)生的電能電壓大、電流小、功率小，而且是交流電壓。因此不能直接供給電子器件使用，需要先將收集的電能進(jìn)行變換，然后存儲后才能向外供電。

鑒于壓電能量收集的電能存儲問題，本文提出了一種基于壓電能量收集技術(shù)的充電器的設(shè)計方案。利用壓電能量收集器和LTC3588-1電源管理芯片為核心的電壓變換電路以及LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路，將收集到的能量存儲到鋰電池。研究了壓電能量收集器在諧振狀態(tài)下，充電器給鋰電池充電的時間以及驗證充電器充電電路的可行性。

1 壓電能量收集器結(jié)構(gòu)及工作原理

壓電能量收集器利用壓電效應(yīng)，可以將機械振動能量轉(zhuǎn)換為電能。懸臂梁式能量收集器結(jié)構(gòu)是最常見的振動能量收集器結(jié)構(gòu)，如圖1所示為一典型的壓電雙晶懸臂梁式的壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)，中間是金屬層，在金屬層的上下表面都貼有壓電陶瓷作為壓電層。整個能量收集器形成一懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端為固定端固定于基座中，另一端為自由端，自由端上附有一個質(zhì)量塊?；糜诃h(huán)境中，當(dāng)它受到振動源作用上下振動時，梁的自由端在慣性的作用下也將上下運動，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，上下表面的壓電陶瓷一個受拉，一個受壓，壓電陶瓷中產(chǎn)生橫向應(yīng)力，由于壓電元件的機電耦合特性將在電極面上產(chǎn)生電荷，從而將機械的振動轉(zhuǎn)換為電能。

本文中的壓電能量收集器采用圖1懸臂梁式的結(jié)構(gòu)。其中，壓電雙晶片采用PZT-5H壓電陶瓷，金屬彈性層采用#CW617N黃銅材料。

2 充電器電路設(shè)計

充電器電路就是將壓電能量收集器產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流、DC—DC變換、充電控制，然后將變換后的電能存儲到電池。傳統(tǒng)的充電電路是采用ESSH和SSDV等技術(shù)，這些電路需要電子原件過多，電路自身消耗的能量大，導(dǎo)致能量收集的效率低，而且這些電路需要兩個壓電能量收集器才能工作。為了提高能量收集和存儲的效率，本文設(shè)計了LTC3588—1電源管理芯片為核心的電壓變換電路以及LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路將能量收集器收集的電能存儲在電池。系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

2.1 電壓變換電路

美國凌力爾特公司推出新型電源管理芯片LTC3588-1，以優(yōu)化對低壓電源的管理。LTC3588—1內(nèi)部集成一個低損耗、全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉(zhuǎn)換器，通過壓電能量收集器收集環(huán)境中的振動能量，然后將這種能量變換后輸出。

LTC3588-1的輸入電壓為2.7V～20V。LTC3588-1可對輸入的電壓進(jìn)行整流并通過外部電路進(jìn)行濾波、存儲，同時通過內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓、限幅。電壓變換電路如圖3所示。

2.2 充電控制電路

充電控制電路的組成以LTC4071為核心。LTC4071能夠?qū)崿F(xiàn)從非常低電流、斷續(xù)或連續(xù)電能對鋰離子/鋰聚合物電池的充電。該器件擁有一種接近于零電流的低電池電量閉鎖斷接功能，甚至可避免容量極低的電池發(fā)生深度放電及遭受潛在無法修復(fù)的損壞。550nA至50mA的工作電流使得能夠采用以前不能用的電源來充電。憑借其低工作電流，LTC4071很適合于對能量收集應(yīng)用中的低容量鋰離子電池或薄膜電池進(jìn)行充電。

LTC4071提供了一個可通過ADJ引腳來選擇的浮置電壓，該浮置電壓的準(zhǔn)確度達(dá)±1%。通過在NTC熱敏電阻溫度高于40℃時自動降低電池浮置電壓，該器件的集成化電池?zé)崃坎轵炂餮娱L了電池的使用壽命并改善了可靠性。另外，LTC4071還提供了通過LBSEL引腳來選擇電池低電量的斷接電平和通過HBO引腳來指示電池高電量狀態(tài)輸出。充電控制電路如圖4所示。

3 實驗與結(jié)果分析

壓電能量收集器將機械振動能量轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)壓電器件特征頻率和外部激勵信號頻率一致時，能量收集器的輸出功率最大。本文通過實驗的方法、測得收集器的開路電壓與激勵頻率的關(guān)系分別如圖5所示。用于實驗壓電雙晶片的中間層長度為70.25mm，寬為53.09mm，厚度為0.2mm;壓電層長度為50.33mm，寬為50.33mm，厚度為0.2mm。

由圖5可知，當(dāng)外部激勵信號約為11Hz時，能量收集器輸出的電壓最大。因此，本文中選擇激振器的驅(qū)動信號為11Hz的簡諧正弦信號來進(jìn)行實驗。測試的充電器電路的原理圖如圖6所示。

在實際測試中，讓充電器給容量為8mAH(GMB301009HB)的鋰電池充電，當(dāng)輸出的電壓低于3.2V的時候，充電器不會給電池充電;為了保護(hù)鋰電池，充電器最大的充電電壓4.2 V。充電器工作時，充電電壓為4.1V，充電電流是0.02～0.05mA，經(jīng)過大約1h，鋰電池的電壓從2.24V被充到了3.04V，充電的曲線如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文提出的基于壓電能量收集技術(shù)的充電器設(shè)計方案，實現(xiàn)了將壓電能收器收集的電能高效率的存儲到鋰電池。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的充電電路相比，利用LTC3588-1電源管理芯片搭建的電壓變換及LTC407 1充電控制芯片為核心的充電控制電路減少了充電時間，降低了電路本身的功耗，實現(xiàn)了給鋰電池充電，具有應(yīng)用前景。