壓電能源采集器綜述課件

主要內(nèi)容

波浪能的轉(zhuǎn)換形式有關(guān)壓電振動(dòng)子的介紹

基于壓電能采集的需要而衍生的電路設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1一波浪能的轉(zhuǎn)換形式分類傳統(tǒng)上：波浪能機(jī)械能電能這里面機(jī)械能的形式是多種多樣的，包括：利用波浪能的上下沉浮和搖擺而產(chǎn)生的機(jī)械能；利用波浪的爬升將波浪能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能……特點(diǎn)：將多種形式的機(jī)械能最終都是轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能形式，以達(dá)到發(fā)電的效果。一波浪能的轉(zhuǎn)換形式分類傳統(tǒng)上：波浪能2波浪能的轉(zhuǎn)化形式分類目前我們組采用的發(fā)電原理是基于壓電效應(yīng)而發(fā)電。壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。波浪能的轉(zhuǎn)化形式分類目前我們組采用的發(fā)電原理是基于壓電效應(yīng)而3二壓電振動(dòng)子方面的介紹壓電振子：各種應(yīng)用環(huán)境不同，我們使用壓電材料時(shí)總是把壓電材料制成各種不同形狀，在這些不同形狀的壓電材料表面涂上電極，就成為壓電振子。壓電振動(dòng)子方面的介紹分為以下兩個(gè)部分：（1）壓電振動(dòng)子的材料選擇：由壓電系數(shù)的大小和制作的難易程度來選擇。（2）壓電振動(dòng)子的形狀選擇：形狀關(guān)系到力學(xué)性能，比如說壓電片的使用壽命等。二壓電振動(dòng)子方面的介紹壓電振子：各種應(yīng)用環(huán)境不同，我們使用4（1）壓電材料的選擇壓電系數(shù)：壓電系數(shù)是壓電體把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能或把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的轉(zhuǎn)變系數(shù)，反應(yīng)壓電材料彈性性能與介電性能之間的耦合關(guān)系。常用的壓電材料：壓電材料包含單晶體，多晶體，晶態(tài)聚合物和非晶態(tài)聚合物，目前大多使用陶瓷材料，常用的有：PVDF,ZnO,PZT等。（1）壓電材料的選擇壓電系數(shù)：壓電系數(shù)是壓電體把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成5PVDF:聚偏氟乙烯,是一種聚合物，外觀為半透明或白色粉體或顆粒，因其壓電系數(shù)較低而很少應(yīng)用。ZnO：俗稱鋅白，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的液晶顯示器、薄膜晶體管、發(fā)光二極管等產(chǎn)品中均有應(yīng)用。雖然壓電系數(shù)不大，但是可制作性非常好。PZT：壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)，壓電系數(shù)高出上面兩種化合物兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此是最常用的塊狀振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化子。PVDF:聚偏氟乙烯,是一種聚合物，外觀為半透明或白色粉體或6壓電振動(dòng)子的振動(dòng)模式壓電振子的振動(dòng)模式是指壓電振子用來完成機(jī)械能與電能之間相互轉(zhuǎn)化的振動(dòng)方式。在設(shè)計(jì)壓電振子時(shí)要選擇合適的壓電振子振動(dòng)模式。壓電振子的極化方向與電場方向平行時(shí)，產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，壓電振子的極化方向與電場方向垂直時(shí)，產(chǎn)生切變振動(dòng)。壓電振動(dòng)子的振動(dòng)模式壓電振子的振動(dòng)模式是指壓電振子用來完成機(jī)7壓電能源采集器綜述課件8懸臂壓電梁電采集的參數(shù)分析固有頻率：臂型壓電能量采集器處于固有頻率狀態(tài)下，振動(dòng)幅度會(huì)達(dá)到最大值，發(fā)電量也會(huì)達(dá)到最大。（重要參數(shù)）介溫譜：壓電陶瓷介電常數(shù)隨溫度變化而變化的規(guī)律圖譜。

懸臂壓電梁電采集的參數(shù)分析固有頻率：臂型壓電能量采集9能量采集技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)來自【日中環(huán)保生態(tài)網(wǎng)】的消息：可將無線傳感器的平均功耗降至1μW以下的技術(shù)開始顯現(xiàn)出眉目。一直阻礙電力轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)小型化的瓶頸終于要被突破了。意義：以上的技術(shù)突破促進(jìn)了裝有電力轉(zhuǎn)換元件的能量采集器件的小型化發(fā)展。能量采集技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)來自【日中環(huán)保生態(tài)網(wǎng)】的消息：可將無線10最近面世的能量采集技術(shù)最近面世的能量采集技術(shù)11具體而言，就是將體溫、步行、太陽光、室內(nèi)電燈、電視及手機(jī)等接收的電波、地?zé)?、植物及食物的電解液、日常生活及交通工具的振?dòng)及壓力等作為電力源使用。此外，日本大企業(yè)也開始涉足能量采集（EH)領(lǐng)域，比如有名的富士通、松下、NTT及瑞薩電子等日本大企業(yè)也開始正式開發(fā)電力轉(zhuǎn)換元件及EH元件。具體而言，就是將體溫、步行、太陽光、室內(nèi)電燈、電視及手機(jī)等接12功耗決定EH元件的尺寸功耗決定EH元件的尺寸13典型EH元件的基本參數(shù)此前獲得應(yīng)用的EH元件絕大部分都需要消耗數(shù)μW以上的電力。但為提高易用性而縮小元件尺寸后，只能獲得1μW以下的電力。并且以往的大多數(shù)通用MCU及其外圍電路技術(shù)中，最低運(yùn)行功耗為10μW～100μW?？商峁?0μW電力的電力轉(zhuǎn)換元件的尺寸約為10cm2(數(shù)cm見方）以上。如何解決既要使用小尺寸傳感器又要滿足使用要求是我們要解決的主要問題。典型EH元件的基本參數(shù)此前獲得應(yīng)用的EH元件絕大部分都需要消14如何解決？？解決方式主要有以下兩種:1–在消耗功耗的元件上，我們要設(shè)法降低元件的使用功耗，設(shè)計(jì)更低功耗的傳感器，以及與之配合的元件電路上。2—設(shè)法提高能量收集設(shè)備的效率，將收集的能量匯聚，在輸出給通用傳感器，這就必須在收集電路上下功夫。如何解決？？解決方式主要有以下兩種:15EH元件小型化的條件（1）稱為“能量納米技術(shù)”的電路技術(shù)開始問世，具體表現(xiàn)是，超低功耗MCU及電路的技術(shù)提案日益增多，這些MCU及電路可有效利用電力轉(zhuǎn)換元件提供的微量電力來工作。（2）低功耗建立在間歇運(yùn)行的基礎(chǔ)上，原理，先花費(fèi)時(shí)間將電力儲(chǔ)存在電容器或充電電池中，然后再間歇驅(qū)動(dòng)無線通信電路運(yùn)行。EH元件小型化的條件（1）稱為“能量納米技術(shù)”的電路技術(shù)開始16PS自己的想法：我們可以根據(jù)具體的環(huán)境進(jìn)行分析，我們可以采用多種能量源供應(yīng)電力。多種電源的意思就是我們?cè)谝淮无D(zhuǎn)換中可以并聯(lián)兩個(gè)或兩個(gè)以上的能量轉(zhuǎn)換源，比如我們可以在利用振動(dòng)能的時(shí)候同時(shí)利用溫差能，將二者的能量匯集到一起提供給要供電的系統(tǒng)，前提是這兩種能量源要能用相似的電路系統(tǒng)。PS自己的想法：我們可以根據(jù)具體的環(huán)境進(jìn)行分析，我們可以采用17超低功耗電路設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)總功耗=靜態(tài)功耗+動(dòng)態(tài)功耗靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗電流常用于評(píng)價(jià)電路的靜態(tài)功耗大小，它以流經(jīng)電路中各PN結(jié)的反向漏電電流為主。動(dòng)態(tài)功耗：體現(xiàn)在電路進(jìn)行邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的電路內(nèi)部消耗的功耗。對(duì)于CMOS電路來說，主要體現(xiàn)在瞬時(shí)導(dǎo)通功耗和電容充放電功耗。超低功耗電路設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)總功耗=靜態(tài)功耗+動(dòng)態(tài)18電路系統(tǒng)的總功耗與系統(tǒng)的電源電壓有很大關(guān)系，而動(dòng)態(tài)功耗除了和電源電壓的平方有關(guān)系外還和電路工作的脈沖重復(fù)頻率，脈沖波形以及輸出容性負(fù)載有關(guān)系。超低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：“三相宜原則”即：電源電壓不宜高，時(shí)鐘宜慢不宜快，系統(tǒng)宜靜不宜動(dòng)。電路系統(tǒng)的總功耗與系統(tǒng)的電源電壓有很大關(guān)系，而動(dòng)態(tài)功耗除了和19設(shè)計(jì)低功耗電路的具體原則在滿足使用要求的前提下盡量選擇低功耗處理器MCU，如CMOS<HMOS.外圍器件盡量選擇與單片機(jī)電源相匹配的低電源產(chǎn)品，或者專門為低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的器件。電源管理方面采用單電池電源實(shí)現(xiàn)多分支電源網(wǎng)路管理，使得系統(tǒng)的各功能模塊電源相對(duì)獨(dú)立，在不工作的時(shí)候可以分別斷電，節(jié)省功耗。盡量選用軟件代替硬件進(jìn)行工作。設(shè)計(jì)低功耗電路的具體原則在滿足使用要求的前提下盡量選擇低功耗20目前比較通用的符能器D33D33模式的振動(dòng)符能器特點(diǎn)：沿壓電纖維方向正負(fù)分支電極交叉排列,上下表面的電極結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱。d33模式提供了沿壓電纖維長度方向的極化電場,使得傳感器工作時(shí)使用比較大的壓電常數(shù)d33。在電極區(qū)附近的電場分布不均勻目前比較通用的符能器D33D33模式的振動(dòng)符能器21目前比較通用的符能器-D31D31模式振動(dòng)符能器特點(diǎn)：d31模式提供了垂直于纖維方向的極化電場,使得傳感器工作時(shí)使用較小的壓電常數(shù)d31。這種電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:正負(fù)分支電極分別位于金屬壓電纖維上下表面,在電極區(qū)附近的電場均勻分布。目前比較通用的符能器-D31D31模式振動(dòng)符能器22兩種工作模式的比較相對(duì)于d31模式俘能器,叉指電極結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)工作于d33模式的懸臂梁俘能器輸出電壓影響更大。d33模式的機(jī)電耦合性比d31模式的要好。MFC和基板材料厚度比為0.6時(shí),d31模式俘能器的輸出電壓最大。MFC和基板材料厚度比為0.75時(shí),d33模式俘能器的產(chǎn)生電荷量最多d33模式俘能器具有能輸出高電壓值與低電流值特特點(diǎn)，d31模式俘能器具有能輸出低電壓值與高電流值特點(diǎn)。兩種工作模式的比較相對(duì)于d31模式俘能器,叉指電極結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)233-壓電符能電路的介紹由壓電振子傳的能量是交流電，而且電量非常的弱，如果想正常應(yīng)用必須對(duì)電路進(jìn)行后續(xù)處理，正常的家用電器需要穩(wěn)定的直流電源，所以一般情況下壓電產(chǎn)生的能量需要經(jīng)過以下幾個(gè)模塊。AC-DC濾波DC-DC電量儲(chǔ)存3-壓電符能電路的介紹由壓電振子傳的能量是交流電，而且電量非24（1）經(jīng)典電路經(jīng)典接口電路由整流橋和濾波電容組成。

目的：是將壓電元件輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的直流電壓，如圖2所示。圖中，R，為與實(shí)際負(fù)載消耗相同的等效電阻，濾波電容C遠(yuǎn)大于靜態(tài)夾持電容Cp，目的在于減小輸出電壓波紋。（1）經(jīng)典電路經(jīng)典接口電路由整流橋和濾波電容組成。25經(jīng)典電路是現(xiàn)在存在的各種電路的鼻祖，也是各種電路的基礎(chǔ)，它最早被提出來，后人根據(jù)這個(gè)電路進(jìn)行了各種各樣的改進(jìn)，這個(gè)電路本身屬于為分析而存在的電路，用這種電路收集能量的效率非常的低，通常情況下沒人采用。通常都是作為各種電路的比對(duì)對(duì)象，跟經(jīng)典電路比效率高多少成為衡量電路性質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)典電路是現(xiàn)在存在的各種電路的鼻祖，也是各種電路的基礎(chǔ)，它最262同步提取電路當(dāng)壓電元件兩端電壓與結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度始終保持同向時(shí)，壓電發(fā)電機(jī)輸出功率較高。同步電荷電路原理如圖4所示，當(dāng)壓電元件兩端電壓V達(dá)到峰值時(shí)，閉合開關(guān)s，則壓電等效電容c與電感L形成振蕩回路，壓電元件上累積的電能在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移為電感中的磁能存儲(chǔ)；電能轉(zhuǎn)移完成后，開關(guān)打開，壓電元件開路，同步電荷提取電路輸出功率恒定，其原因在于開關(guān)閉合時(shí)間等于L-C回路振蕩周期的1／4，恰在這段時(shí)間內(nèi)電能全部轉(zhuǎn)換為磁能，與負(fù)載大小無關(guān)。2同步提取電路當(dāng)壓電元件兩端電壓與結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度始終保持同向時(shí)273改進(jìn)的無源同步電荷提取電路因?yàn)橥诫姾商崛‰娐分行枰獙?duì)開關(guān)進(jìn)行開關(guān)控制，針對(duì)開關(guān)的控制提出了一種改進(jìn)的無源同步電荷提取電路，無源同步電荷提取電路包括整流橋、無源峰值檢測開關(guān)電路及單端反激變換電路。這個(gè)電路提出來后也沒有得到太多的關(guān)注，因?yàn)樗谠O(shè)計(jì)分析時(shí)候把太多的東西理想化了，而且該電路采用的電子元件非常多，電量損耗會(huì)很大，所以效率不是特別的高。3改進(jìn)的無源同步電荷提取電路因?yàn)橥诫姾商崛‰娐分行枰獙?duì)開關(guān)28關(guān)于開關(guān)控制的說明：現(xiàn)在比較通用的電路大多采用了控制系統(tǒng)，例如我們剛剛看到的電路需要開關(guān)控制。目前針對(duì)這種控制系統(tǒng)主要采用與單片機(jī)結(jié)合的PWM脈沖控制，它可以控制開關(guān)量，但是在大多數(shù)論文的分析中都將控制方面略去，主要考慮的是控制需要供能，它是否可以由壓電系統(tǒng)供能或者另外接電源是根據(jù)壓電系統(tǒng)產(chǎn)能量大小而決定的。關(guān)于開關(guān)控制的說明：現(xiàn)在比較通用的電路大多采用了控制系統(tǒng)，例294-Parallel-sshi電路右圖為SSHI電路中最具代表性且發(fā)展的最早的電路，可以說其他的SSHI電路均是在這個(gè)電路基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。該電路在電源兩端并聯(lián)了一個(gè)電感線圈，它的主要作用是：減少寄生電容的大小，導(dǎo)致力電耦合系數(shù)被無限的放大了，所以引起功勞的極大提高（最多可提高900%）。而且對(duì)壓電振動(dòng)子在共振頻率偏移導(dǎo)致的輸出功率大幅度下降有鈍化作用。本質(zhì)上是單純的偵測極值做振動(dòng)同步控制。4-Parallel-sshi電路右圖為SSHI電路中最具代305-series-sshi電路Series-SSHI電路是通過瞬間提取能量的方式來保持寄生電容Cp的效應(yīng)，最終使壓電振動(dòng)子的共振頻率被鎖定在原來的開路共振頻率上而不受外加負(fù)載的影響，提高了電路應(yīng)對(duì)多種刺激源時(shí)候的適應(yīng)性。5-series-sshi電路Series-SSHI電路是通31關(guān)于電路的小總結(jié)我們前面介紹的電路是目前比較通用的幾種電路，他們共同的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？對(duì)于壓電設(shè)計(jì)電路主要圍繞著以下兩個(gè)方面：1-負(fù)載效應(yīng)：外加阻抗大小在與原壓電系統(tǒng)自帶阻抗相等時(shí)候，即阻抗匹配時(shí)系統(tǒng)輸出功率最大。2-頻率要求：刺激源的頻率在與壓電系統(tǒng)的共振頻率相等時(shí)候才能促發(fā)最大的功率輸出。所以，前面提到的電路一般都是解決了上面兩方面之中的一個(gè)方面，例如SSHI電路就是通過措施控制壓電系統(tǒng)的頻率使之穩(wěn)定的趨于特定的范圍來實(shí)現(xiàn)功率的提升的。我們以后設(shè)計(jì)電路也是主要圍繞著這幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)于電路的小總結(jié)我們前面介紹的電路是目前比較通用的幾種電路，32我們的目標(biāo)我們現(xiàn)在目標(biāo)是能設(shè)計(jì)一種電路，使之可以同時(shí)做多個(gè)懸臂梁發(fā)電時(shí)候的中間轉(zhuǎn)換傳遞媒介，通過減少電子元件（尤其是晶體二極管）的電能消耗，來達(dá)到提升輸出效率的作用。希望我們?cè)O(shè)計(jì)的電路能對(duì)多種不同刺激源都能進(jìn)行有效的電能轉(zhuǎn)換。當(dāng)前主要是在對(duì)同頻率不同相位的刺激源尋求整合解決方法上進(jìn)行嘗試。我們的目標(biāo)我們現(xiàn)在目標(biāo)是能設(shè)計(jì)一種電路，使之可以同時(shí)做多個(gè)懸33通過改進(jìn)經(jīng)典電路對(duì)多個(gè)懸臂梁進(jìn)行電采集：通過改進(jìn)經(jīng)典電路對(duì)多個(gè)懸臂梁進(jìn)行電采集：34通過改進(jìn)SSHI電路對(duì)多個(gè)梁的電采集：通過