基于壓力發(fā)電的電源系統(tǒng)研究　

作者 / 劉艷1,2 賈宏偉1,2 林子翔1,2 1. 廣東省電力工業(yè)職業(yè)技術(shù)學校(廣東 廣州 510000) 2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司教育培訓評價中心(廣東 廣州 510000)

劉艷(1986-)，女，碩士，講師，研究方向：電氣自動化;賈宏偉，男，碩士，研究方向：電能的變換與控制;林子翔，男，碩士，講師，工程師，研究方向：輸配電線路施工與運行。

摘要：目前，微機電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)可以通過越來越低的能量運行，而環(huán)境中充斥著各種各樣的沒有被利用的或者被浪費的能量，例如太陽能、風能、熱能、振動能等。收集環(huán)境中的能源。將其轉(zhuǎn)換成人們可以使用的電能,達到能量回收利用的目的。但收集來的能量由于受制于環(huán)境的影響，一般無法穩(wěn)定和及時為負載供電。設(shè)計了一種基于壓力發(fā)電的電源系統(tǒng)，將壓力轉(zhuǎn)化為電能并采集和存儲起來，可以作為遠程微機電系統(tǒng)的電源。

0 引言

　　世界各國對能源需求不斷增長以及對環(huán)境保護日益加強，都在在大力發(fā)展可再生能源。壓電發(fā)電是一項最近幾十年興起的高新技術(shù)，最近十幾年更是在全世界被廣泛研究。壓電裝置在外力交變作用下產(chǎn)生電荷，將這些電荷收集起來儲存在電容或電池中，就可為后級電子元器件和系統(tǒng)供電。壓電能量收集裝置的優(yōu)點是其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，無電磁干擾,易加工制作，而且其功率密度可達到200 μW/cm3，在過去壓電材料常被應(yīng)用在傳感器與執(zhí)行器上，較少被拿來作為提供電能的裝置，然而隨著壓電材料壓電性能的提高及高集成度，低能耗電力電子器件的使用，壓電式發(fā)電技術(shù)因此也成為研究的熱點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　本文設(shè)計的電源將利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將壓力轉(zhuǎn)化為電能，再將壓電材料產(chǎn)生的電能通過能量采集電路進行采集并存儲起來。壓電材料本文選用Cymbal壓電振子，能量采集電路的核心芯片是基于ADI公司的超低功耗能量采集器PMU ADP5091，能量的存儲采用的是超級電容。

2 壓電材料

　　壓電材料的選擇決定了壓電發(fā)電系統(tǒng)的能量密度，對壓電振子發(fā)電性能的影響至關(guān)重要。目前，已有許多種壓電材料應(yīng)用于壓電發(fā)電裝置中，包括壓電單晶體、壓電多晶陶瓷、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電纖維、壓電薄膜、電致伸縮聚合物等。常用的壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)，又稱 PZT。壓電發(fā)電系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu)分為懸臂梁型壓電振子、圓盤式壓電振子和疊層式壓電振子。本文采用的圓盤式壓電振子的Cymbal 鈸型壓電振子，其他常見的結(jié)構(gòu)還有圓柱形壓電振子和鼓型壓電振子等;圖2 為 Cymbal 壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖。上下 2 片鈸形金屬帽中間為用導(dǎo)電膠粘合的壓電片，Φ為 Cymbal 換能器的直徑，Φt為內(nèi)腔頂部直徑，Φb為內(nèi)腔底部直徑，tp為壓電陶瓷的厚度，tm為金屬帽的厚度，tc為內(nèi)腔高度。由于壓電晶體的彎曲變形, 壓電層的上、下電極之間將產(chǎn)生變化的電勢差，通過能量存儲電路進而為負載供能。

　　壓電振子存在機械邊界條件和電學邊界條件，機械邊界條件包括機械自由和機械夾持;電學邊界條件包括電學開路和電學短路。兩種不同的機械邊界條件和兩種不同電學邊界條件組合在一起，對應(yīng)于壓電振子的4種不同的邊界條件。對于機械自由，電學短路邊界條件下的正負壓電效應(yīng)的壓電方程為：

(1)

　　式中：D為電位移，d為壓電常數(shù)，d^t為d的轉(zhuǎn)置，S為應(yīng)變，s^E為彈性柔順常數(shù)，T為應(yīng)力，E為電場，ε為介電常數(shù)。

　　由于壓電振動能量采集器件俘獲的電能較小，單層壓電晶片結(jié)構(gòu)還達不到當前低耗能微電子器件的能量需求。為了提高壓電振子發(fā)電的發(fā)電量，目前用于壓電振動能量采集的壓電振子的結(jié)構(gòu)主要有基于懸梁臂結(jié)構(gòu)的單、雙壓電晶片。串聯(lián)連接方式總的輸出電壓為單片壓電陶瓷的兩倍，總的輸出電量為單層壓電陶瓷產(chǎn)生電量的兩倍。并聯(lián)連接方式總的輸出電壓與單片壓電陶瓷的相同，而總輸出電量為單層壓電陶瓷產(chǎn)生的電量的兩倍。單個Cymbal壓電發(fā)電換能器的輸出特性是高電壓，低電流，高輸出阻抗的電壓源特性，增加了后續(xù)整流，降壓和存儲電路的匹配難度。在輸出功率一致的情況下，并聯(lián)連接的多個Cymbal壓電振子有益于增大換能器系統(tǒng)的輸出電流，降低換能器系統(tǒng)的輸出阻抗，減小了與后續(xù)能量存儲電路的匹配難度。

　　本文將多個Cymbal壓電振子鑲嵌在薄圓柱形箱體里，如圖3所示，上下相鄰Cymbal 壓電振子的金屬端帽短接在一起，并且放置成極化方向相反的方式，通過導(dǎo)線連接即可實現(xiàn)多個壓電振子并聯(lián)。圓柱箱體為整個壓電振子堆提供一定的恒定的預(yù)應(yīng)力，保證壓電振子堆振動時始終處于壓縮狀態(tài)。圓柱箱體上下底面直徑應(yīng)略大于Cymbal的直徑和振子徑向振動的位移以便于保證圓柱箱體不影響Cymbal 振子的徑向振動。圓柱箱體結(jié)構(gòu)為整個壓電振子堆提供支架，可直接將圓柱底面貼于振動源的接觸面，也可以通過其他機械結(jié)構(gòu)擴大獲得壓力源的面積。

3 能量采集和存儲電路

　　多個 Cymbal壓電振子并聯(lián)連接后可以產(chǎn)生較大的輸出電流，但此時的電壓為不穩(wěn)定的交流信號，不便于存儲。需要對其進行整流和濾波。整流后的電流被送入到以ADP5091為核心芯片的能量采集和存儲電路里。ADP5091是一款智能集成式能量采集nA級管理解決方案，可轉(zhuǎn)換來自光伏電池或熱電發(fā)生器(TEG)的直流電源。該器件可對儲能元件(如可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容或傳統(tǒng)電容)進行充電，并對小型電子設(shè)備和無電池系統(tǒng)上電。ADP5091/92能對采集的有限能量(16 μW到600 mW范圍)實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級別。利用內(nèi)部冷啟動電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動。冷啟動后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。額外的150 mA穩(wěn)壓輸出可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程，可編程電壓監(jiān)控器(2 V至5.2 V)支持對儲能元件進行充電，可選BACK_UP電源路徑管理。常用的收集壓電振子產(chǎn)生的電量的方法包括利用普通電容快速充放電效應(yīng)收集并且儲存產(chǎn)生的電能和利用可充電電池收集并儲存能量。本文建議采用超級電容。超級電容與普通電容和普通電池比較，容量大很多，可達到法拉級甚至數(shù)萬法拉級，而且循環(huán)使用壽命更長，可重復(fù)使用達幾十萬次,這些都是普通電容和可充電電池無法比擬的。而且超級電容的可靠性更高，對電路的要求不高，其兩極電壓可以超過額定電壓而不會被擊穿，不易損壞，超級電容內(nèi)阻很小，充放電效率高。本文采用的是多并苯紐扣電容PAS409HR用作采集儲能器。具體電路如圖4所示。AD5091的SYS腳為接向系統(tǒng)負載提供的輸出電源。在此引腳和PGND之間至少連接一個4.7μF電容，并盡可能靠近放置。BACK_UP為備用原電池的可選輸入電源。

4 結(jié)論

　　壓力發(fā)電的已經(jīng)在全世界被廣泛研究，美國、日本、韓國以及歐洲一些國家的研究人員已經(jīng)取得了很多專利、理論研究和產(chǎn)品等研究成果。本文介紹了一種基于Cymbal型壓電振子并聯(lián)發(fā)電，以ADP5091為核心的能量采集電路對壓電振子的能量進行采集并存儲在超級電容的電源系統(tǒng)，可以作為遠程微機電系統(tǒng)的電源。或在此電源系統(tǒng)基礎(chǔ)上再進行一定的擴展，例如在超級電容后接入容量較大的可充電電池，提高系統(tǒng)的能量收集能力，多個此電源系統(tǒng)并聯(lián)就可以為更大的負載供電等。

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　　[8]ADI公司.ADP50915092 datasheet [EB/OL].

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。