基于壓電的車載傳感器自供電技術(shù)研究

范媛媛，吳尚光，李 曼，高 揚(yáng)，李浩祥，郝云榮，黃 飛，桑英軍

(1.淮陰工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 223003)

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基于壓電的車載傳感器自供電技術(shù)研究

范媛媛1，吳尚光2，李 曼2，高 揚(yáng)2，李浩祥2，郝云榮1，黃 飛2，桑英軍2

(1.淮陰工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 223003)

由于電動(dòng)汽車的廣泛推廣及其智能化發(fā)展的需求，車載傳感器數(shù)量激增，傳統(tǒng)供能方式諸如污染、維護(hù)困難等缺陷日漸凸顯。考慮到車載環(huán)境中振動(dòng)無處不在，利用壓電技術(shù)對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行收集，設(shè)計(jì)壓電式振動(dòng)能量收集系統(tǒng)以用來解決微功耗傳感器供能問題。文中對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了理論分析，給出了系統(tǒng)振動(dòng)頻率的數(shù)學(xué)模型以及壓電輸出的數(shù)學(xué)模型，在仿真分析的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了一套壓電能量收集裝置，并對(duì)其共振情況下的發(fā)電性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的理論模型可以很好的預(yù)測(cè)系統(tǒng)的輸出特性，在共振頻率為11.6 Hz，加速度為0.5g時(shí)，系統(tǒng)獲得的最大開路電壓是4.45 V，在最優(yōu)負(fù)載電阻為400 kΩ 時(shí)，振動(dòng)能量收集裝置的最大的負(fù)載功率為15.02 μW。結(jié)合超級(jí)電容的儲(chǔ)能功能，可以滿足功率更大間歇式工作方式的車載傳感器的能量供給。

環(huán)境振動(dòng)；壓電；懸臂梁；能量轉(zhuǎn)換；負(fù)載功率

0 引言

隨著電動(dòng)汽車智能化以及汽車傳感器微型化的發(fā)展，電動(dòng)汽車傳感器數(shù)量將大幅度地增加，遍布汽車的各個(gè)部位，大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)的供能問題成為亟待解決的難題之一[1-2]。人們希望可以從電動(dòng)汽車自身振動(dòng)環(huán)境中收集能量并經(jīng)過轉(zhuǎn)化對(duì)傳感器進(jìn)行供電。振動(dòng)能量收集技術(shù)是目前正在研究一種熱門方式，這種供電方式可以延長(zhǎng)低功耗設(shè)備的壽命并且可以不依賴電池或者線束對(duì)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)供電[3]。

將環(huán)境振動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能是可行的,車載環(huán)境中振動(dòng)無處不在，回收這些振動(dòng)能量可實(shí)現(xiàn)車載微型傳感器的自供電。目前很多文獻(xiàn)對(duì)使用不同的能量收集方法來提高振動(dòng)能量收集的效率進(jìn)行了報(bào)道[4-5]。由于壓電材料的可用性強(qiáng)、性能好、可以提供更高的輸出電壓等優(yōu)點(diǎn)[6]，利用壓電效應(yīng)對(duì)能量進(jìn)行收集的新技術(shù)得到關(guān)注。

壓電式振動(dòng)能量收集系統(tǒng)可以用來解決微功耗傳感器供能問題[7-8]。本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合共振和壓電技術(shù)的振動(dòng)能量收集裝置，并對(duì)其共振情況下的發(fā)電性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在共振頻率為11.6 Hz，加速度為0.5g時(shí)，系統(tǒng)獲得的最大開路電壓是4.45 V，在最優(yōu)負(fù)載電阻為400 kΩ時(shí)，振動(dòng)能量收集裝置的最大的負(fù)載功率為15.02 μW，系統(tǒng)模型很好地反映了系統(tǒng)地輸出特性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于振動(dòng)的壓電能量收集裝置如圖1(a)所示。該裝置是由末端帶有質(zhì)量塊的壓電懸臂梁組成。質(zhì)量塊用來激發(fā)振動(dòng)和調(diào)整共振頻率。懸梁臂的振動(dòng)由外部振動(dòng)引起。壓電片受到應(yīng)力的作用產(chǎn)生電荷，整合這兩部分能量使得輸出的總能量增加。

1.2 數(shù)學(xué)模型

壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境激振最為敏感，容易產(chǎn)生受迫振動(dòng)，在對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，可以用彈簧-質(zhì)量塊-阻尼單自由度系統(tǒng)模型來描述懸臂梁在外部振動(dòng)激勵(lì)下引起的振動(dòng)模型[2]，如圖1(b)所示。振動(dòng)系統(tǒng)的模型為

(1)

(a)懸臂梁的結(jié)構(gòu)模型

(b)彈簧-質(zhì)量塊-阻尼模型圖1 不等長(zhǎng)單晶CVPG的模型

根據(jù)橫截面轉(zhuǎn)換法[4]和慣性矩平行軸定理[5]，利用懸臂梁在x=0～lp段和x=lp～le段的等效截面慣性矩I1，I2方程，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)理論[4]可知該懸臂梁的系統(tǒng)有效彈性系數(shù)為

(2)

(3)

式中K1為頻率修正系數(shù)。

由壓電方程[5]可知當(dāng)懸臂梁在受到z方向慣性力作用下，壓電層會(huì)在x方向產(chǎn)生拉伸和壓縮，并在z向形成耦合電場(chǎng)。對(duì)于壓電應(yīng)變?chǔ)?-d31E3，式中d31為壓電系數(shù)，E3為電場(chǎng)強(qiáng)度，可以將其等效為一個(gè)在懸臂梁末端的集中力FE，在式(1)中加入電場(chǎng)力后得

(4)

根據(jù)應(yīng)變和彎矩的方程及關(guān)系得

FE=k1U

將FE代入式(4)，解得

(5)

根據(jù)熱平衡原理，利用無窮小的單元體內(nèi)所產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)能[6]表示為壓電層的總能量，再利用懸臂梁所受外力與相對(duì)位移z的關(guān)系[7-8]，整理得到壓電振動(dòng)發(fā)電機(jī)在環(huán)境激振作用下的開路電壓和振動(dòng)激勵(lì)加速度之間的關(guān)系為

(6)

式中：Ain為表示外部激勵(lì)振動(dòng)的加速度，Ain=ω2y；K2為電壓修正系數(shù)；Cp為壓電體靜態(tài)等效電容；k2為懸臂梁尺寸相關(guān)參數(shù)。

2 仿真分析

利用MATLAB軟件對(duì)壓電模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，壓電懸臂梁共振頻率與懸臂梁的長(zhǎng)度、懸臂梁的寬度、質(zhì)量塊的長(zhǎng)度、質(zhì)量塊的高度以及壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

(a)共振頻率-墊片厚度-壓電陶瓷片厚度的關(guān)系

(b)共振頻率-壓電陶瓷片長(zhǎng)度-質(zhì)量塊的長(zhǎng)度關(guān)系

(c)共振頻率-壓電陶瓷片寬度-小質(zhì)量塊的高度關(guān)系圖2 共振頻率與懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

由圖2(a)知，在懸臂梁質(zhì)量塊的長(zhǎng)度確定的情況下，共振頻率隨著壓電陶瓷片的長(zhǎng)度的增加而降低，在壓電陶瓷片的長(zhǎng)度一定的情況下，共振頻率隨著質(zhì)量塊的長(zhǎng)度的增加而減小。由圖2(b)可知，壓電懸臂梁的共振頻率隨著壓電陶瓷片的厚度和金屬墊片的厚度的增加而增加。由圖2(c)可知，在小質(zhì)量塊的高度不變的情況下，壓電懸臂梁的共振頻率隨著懸臂梁的寬度的增加而升高，而當(dāng)懸臂梁的寬度確定后，壓電懸臂梁的共振頻率隨著小質(zhì)量塊的高度的變化并不發(fā)生改變。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

由仿真分析可知，裝置共振頻率與與懸梁臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。通過改變壓電片和基片板的長(zhǎng)度、寬度、厚度等參數(shù)，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共振頻率。系統(tǒng)共振頻率設(shè)計(jì)為12 Hz，結(jié)合仿真分析，最終確定了壓電懸臂梁尺寸參數(shù)，如表1所示

表1 復(fù)合式能量收集裝置的參數(shù)

為了方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析，使用虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，編程實(shí)現(xiàn)正弦波頻率與幅值大小調(diào)節(jié)，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)激振源模擬外界振動(dòng)源。隨著激振器一起振動(dòng)的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)輸出電壓，通過數(shù)據(jù)采集卡采集繪圖保存以利于數(shù)據(jù)分析，能方便地分析系統(tǒng)輸出電壓、模擬振動(dòng)幅值和模擬振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。圖3(a)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成圖，圖3(b)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖，示波器顯示了壓電開路輸出電壓的波形。能量轉(zhuǎn)換電路由DF005S整流橋，儲(chǔ)能的容值為0.047 F的電容以及TPS62200構(gòu)成的穩(wěn)壓電路組成。

(a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成圖

(b)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)理論仿真值是在不考慮修正系數(shù)的情況下獲得的，令K1=K2=1，共振頻率理論值為12 Hz，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的共振頻率為11.6 Hz，當(dāng)振動(dòng)加速度為0.5g時(shí)，壓電懸臂梁工作在共振頻率下的電壓峰值為4.45 V左右，略低于理論值5 V。輸出電壓峰值與振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線如圖4(a)所示。該壓電懸臂梁式發(fā)電系統(tǒng)在振動(dòng)頻率在6～18 Hz范圍內(nèi)，即接近共振頻率時(shí)才有較高的輸出電壓，其峰值超過了2.5 V，而在頻率過大或者過小時(shí)輸出電壓值也很小。

在共振頻率處，通過matlab數(shù)值仿真以及PSPICE電路仿真獲得了系統(tǒng)的最優(yōu)負(fù)載約為400 kΩ。在負(fù)載為400 kΩ時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)的最大功率為15.02 μW，略低于理論值17.89 μW。系統(tǒng)的負(fù)載電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系曲線如圖4(b)所示，負(fù)載電壓隨著負(fù)載電阻值的增大而增大。負(fù)載功率與負(fù)載電阻的關(guān)系曲線如圖4(c)所示。從圖中可以看出，負(fù)載功率首先呈上升趨勢(shì)并在最優(yōu)負(fù)載電阻400 kΩ時(shí)達(dá)到峰值，當(dāng)負(fù)載電阻大于400 kΩ時(shí)負(fù)載功率隨之下降。實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論仿真值非常接近。

由實(shí)驗(yàn)可知，大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)值要低于理論獲得的數(shù)值，除了計(jì)算誤差以及實(shí)驗(yàn)讀數(shù)誤差的原因以外，主要是因?yàn)閼冶哿旱墓潭ɑ谝欢ǔ潭壬显黾恿藨冶哿浩鹫癫糠值拈L(zhǎng)度，使得實(shí)際獲得的共振頻率較理論值略低，同時(shí)輸出電壓也會(huì)略有下降?？紤]到這些因素的影響，基于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，對(duì)本文提出的系統(tǒng)模型進(jìn)行修正，取K1=0.97，K2=0.89，修正后的模型可以更好地反映系統(tǒng)的輸出特性。

(a)輸出電壓峰值與振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線

(b)系統(tǒng)的負(fù)載電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系曲線

(c)負(fù)載功率與負(fù)載電阻的關(guān)系曲線 圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)車載微型傳感器的供電需求，提出了采用壓電技術(shù)回收車載環(huán)境中的振動(dòng)能量。首先研究分析了基于壓電的能量收集系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與其共振的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，設(shè)計(jì)了一套結(jié)合共振和壓電技術(shù)的振動(dòng)能量收集裝置，在共振頻率為11.6 Hz，加速度為0.5g時(shí)，系統(tǒng)獲得的最大開路電壓是4.45 V，在最優(yōu)負(fù)載電阻為400 kΩ時(shí)，振動(dòng)能量收集裝置的最大的負(fù)載功率為15.02 μW，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)表明該系統(tǒng)可以滿足功率更大的間歇式工作方式的車載傳感器的能量供給需求。

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Vehicle Sensor Self-powered Technology Research Based on Piezoelectric

FAN Yuan-yuan1,WU Shang-guang2,LI Man2，GAO Yang2,LI Hao-xiang2,HAO Yun-rong1,HUANG Fei2,SANG Ying-jun2

(1.Faculty of Mathematics and Physics,Huaiyin Institute of Technology,Huaian 223003,China;2.Faculty of Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huaian 223003,China)

As a result of the electric vehicles popularity and the development of vehicles intelligent,the number of vehicle sensors surges.Meanwhile,many defects of traditional energy supply were increasingly prominent,such as pollution and maintenance difficulties.Taking into account the vehicle vibration exists everywhere,the piezoelectric technology was used to collect vibration energy,and piezoelectric vibration energy collection system was used to solve the energy problem of micro-power sensor.In this paper,the system structure and the theoretical model were analyzed,and the mathematical model of the system vibration frequency and the piezoelectric output were put forward.The piezoelectric energy collection device was designed on the basis of simulation analysis.The performance of its power generation in the case of resonance was tested.The results show that the theoretical model proposed in this paper can be a good predictor of the output characteristics of the system.As the resonance frequency is 11.6 Hz and acceleration is 0.5g,the maximum open circuit voltage of the system is 4.45 V.When the optimum load resistance is 400 kΩ,the maximum load power of vibration energy collection device is 15.02 μW.Greater energy can be caught to meet the vehicle sensor power supply needs with the use of super capacitor.

environmental vibration;piezoelectric;cantilever;energy conversion;load power

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51307070)淮安市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(HAG2013054)

2014-10-08 收修改稿日期：2015-03-02

TM919

A

1002-1841(2015)08-0010-03

范媛媛(1979—)，講師，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)處理。 E-mail：fyuanyuan123@163.com