基于壓電技術的振動能量收集器的研究分析牛進才

劉文慧

摘要：以壓電技術為原理設計的振動能量收集系統(tǒng)，將環(huán)境中廣泛存在的振動能量收集起來，為無線傳感器網絡的供電方式提供了一種有效途徑.本文研究了國內外基于振動方式的能量回收系統(tǒng)電路，并對這些電路進行了仿真分析比較.

關鍵詞：自供式電源;壓電技術;振動能量系統(tǒng);接口電路

中圖分類號：TN712.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）02-0022-04

隨著“物聯(lián)網+”和人工智能的快速發(fā)展，無線傳感器網絡技術得到廣泛應用.而無線傳感器網絡技術的一個重要因素就是其供電問題.若采用常規(guī)電源為無線傳感網絡供電，必須定期對電源進行更換維護，且物聯(lián)網中節(jié)點數較多，維護起來較為繁瑣.自供式電源為無線傳感器網絡的供電問題提供了一種有效的解決方案.自然界中存在各種形式的能源，例如太陽能，風能，熱能，振動能等.不同能量的密度不同，雖然振動能量的回收功率僅有微瓦或毫瓦級，但可以滿足微功耗系統(tǒng)以及無線傳感網絡的電源需求.

1 振動能量的收集裝置

能夠收集振動能量的裝置種類較多，根據振動電源所需的能量來源途徑以及收集方式的不同，可將其分為靜電式、電磁式和壓電式等.靜電式電源利用靜電效應，將機械振動的能量轉變成電能，但其需要外部電源來維持系統(tǒng)工作.當靜電式收集裝置在搜集振動能量時，先有外部電源對其電容進行充電.當振動源發(fā)生振動時，電容儲存的電荷發(fā)生移動，進而在收集裝置內部形成電流，為外部負載提供電能.由于靜電式需外部電源，因此限制了其在無線傳感網絡領域的應用.

電磁式收集裝置利用法拉第電磁感應原理進行能量的收集.感應電動勢的大小與磁通對時間的變化率成正比，線圈匝數和電磁頻率影響感應電動勢的大小.增大線圈匝數，則回收裝置系統(tǒng)的體積也相對增大，且振動源的振動頻率分布范圍較.若將回收裝置放在低頻的振動源中，此時回收裝置輸出的電壓較小，不能驅動無線傳感器網絡的工作.且電磁式收集裝置容易受到電磁干擾，限制了其在無線傳感器網絡的應用.

壓電式能量回收器是利用壓電材料進行能量收集.當壓電片受力時，壓電材料發(fā)生形變并在其內部產生電場，壓電片發(fā)生極化效應，此時壓電片表面形成極性相反的電荷.當振動源的振動力消失時，壓電片又恢復原來不帶電狀態(tài).在振動力的作用使附在壓電材料表面的電荷間距減小，極化強度變小，此時若有導線連接，電荷就會沿著導線定向移動.在此過程中，利用壓電材料將振動能轉化成電能，進而為低功耗無線網絡供電.壓電式能量回收器具有能量密度較高，不受電磁干擾，回收器裝置結構簡單等優(yōu)點，因此可將其作為無線傳感網絡電源的一種有效方式.

2 振動能量回收系統(tǒng)的設計

為低功耗無線網絡提供電源，要求能量回收系統(tǒng)高效地提取壓電材料從振動源俘獲的能量，而且還要滿足負載系統(tǒng)的功率要求.因此在系統(tǒng)設計時不僅要保證收集系統(tǒng)自身損耗較低，而且還需要從復雜的振動源里面俘獲更多的能量，同時高效率地為負載系統(tǒng)供電.為了滿足上述指標，首先對能量回收系統(tǒng)的發(fā)電裝置進行優(yōu)化設計，使能量收集器以最大功率從振動源獲取能量;其次對能量回收系統(tǒng)的接口電路進行設計，盡可能將壓電材料獲取的振動能高效地提供給負載;其次要滿足能量收集器能夠為負載提供足夠的功率，同時還要保證設計的能量收集系統(tǒng)自身損耗較低.

傳統(tǒng)的壓電片是由壓電陶瓷（Piezoelectric ceramic transducer，PZT）做成，壓電陶瓷具有較大的壓電常數，適合做能量收集器的發(fā)電裝置材料.但其在振動源受到較大的機械振動時，壓電陶瓷容易碎裂，因此限制了其在能量回收系統(tǒng)的利用.隨著高分子材料的發(fā)展，利用柔性更大的壓電材料聚偏氟乙烯制作成壓電片（Polyvinylidene fluoride，PVDF）.相對于壓電陶瓷，PVDF有著更好的柔性，在高頻和壓力下獲取的能量更多，可利用時間更長，壓電片的阻抗更小，質量較輕[1].Sun和Qin等學者用新型復合材料馳豫型鐵電體PMN-PT做成壓電片，經過大量實驗證明用PMN-PT作為能量收集系統(tǒng)的發(fā)電裝置，壓電片也可以輸出較高的電壓和功率[2].

影響能量收集裝置的因素不僅與收集裝置的材料有關，而且與采集裝置的結構相關.目前壓電式能量采集裝置的結構主要有懸臂梁、簡支梁，矩形梁以及圓形和鈸型結構等.懸臂梁結構的壓電片應用較早，其主要優(yōu)點為：壓電片結構簡單，制造方便;有利于降低懸臂梁的自振頻率，使采集裝置在振動源更容易發(fā)生共振，提高采集裝置的俘獲能量的能力.除懸臂梁的結構外，還可以采用圓形和鈸型結構等來設計能量收集裝置.當壓電片受到振動源的壓力時，由于采集裝置設計成圓盤形結構，其受力相對于其他結構來說，圓盤形面積受力更加均勻，能量采集裝置可以更為有效俘獲振動源的能量，提高收集能量的效率.

壓電裝置的工作狀態(tài)影響采集裝置俘獲的能量，目前壓電裝置的有效工作狀態(tài)主要有d31轉換模式，這種轉換模式是振動方向與極化方向處于垂直狀態(tài).Roundy等人對d31轉換模式通過大量實驗研究發(fā)現，d31模式下的機電耦合系數較高，在低頻振動下，利用壓電材料能夠俘獲更多的振動能.d31轉化模式的材料結構更容易制作，其系統(tǒng)的固有頻率較低，適合于在振動源頻率低的環(huán)境中應用.d33轉換模式也是壓電裝置的一種有效工作狀態(tài)，其特點有：當振動源對壓電材料施加壓力時，壓電材料發(fā)生形變的作用力方向與極化方向相同;d33模式與d31模式相比，d33模式的機電耦合系數更大，俘獲振動源的能量更多，其將機械能轉化成電能的效率更高.

3 振動能量收集器的電路設計分析

3.1 經典采集電路

由于環(huán)境中的振動源比較復雜，振動頻率的范圍較大，壓電片受到的壓力波動較大，高效和適應范圍廣的能量回收系統(tǒng)接口電路很難實現.因此在設計能量回收系統(tǒng)的接口電路時，首先建立起壓電片的等效電路模型，然后根據振動源的物理特性來設計高效的能量收集器.Ottman和Hofmann等學者經過實驗發(fā)現可以將壓電片的模型等效為一個交流電流源和一個電容的并聯(lián)[3]，如圖1所示.

經典的能量回收系統(tǒng)的接口電路如圖2所示，接口電路有四個二極管構成一個全波整流電路，四個二極管交替導通，當壓電片兩端電壓大于二極管的導通電壓時，對電容Cr充電獲取電能，同時對負載供電.若選擇合適的電容Cr，當壓電片電壓較小時，電容Cr將會對負載供電.對接口電路進行仿真分析，得出負載和頻率的功率關系如圖3-4所示.由此可以看出，經典的振動能量回收系統(tǒng)的功率與負載有關，且隨著負載變化先增大后減小.說明能量回收系統(tǒng)存在一個最大功率負載，且功率隨著頻率的增大下降較快.然而環(huán)境中振動源的頻率范圍較廣，低功耗無線傳感器阻抗范圍波動較大，因此傳統(tǒng)的接口電路并不能適應實際的物聯(lián)網電源需求.

3.2 同步電荷提取電路

文獻[4]設計了一種新型的接口電路，同步電荷提取電路（Synchronous charge extraction circuit，SCE），電路圖如圖5所示.當壓電片兩端電荷達到最大值時，閉合開關S1A，此時可將壓電片的電荷轉移至電感上，當壓電片的電荷全部轉移至電感時斷開開關，此時電感對濾波電容C1充電，實現對負載供電.在電感對Cr充電時要保證充電時間小于壓電片的積累電荷的時間，即小于機械振動周期.

對同步電荷提取電路進行仿真，其仿真結果如圖6-7所示，從圖中可知將同步電荷提取電路用作接口電路時，能量收集系統(tǒng)得到的功率隨負載變化波動較小，且獲得的功率數值是經典接口電路的2倍，因此同步電荷提取電路適合做接口電路.但其也有一些弊端，當振動源的頻率波動較大時，同步電荷提取電路收集的能量波動較大，且此接口電路需要脈沖信號控制系統(tǒng)對壓電片的電荷積累和提取進行控制，不適用于做自供電式的電源.

基于上述原因文獻[5]對經典的同步電荷提取電路進行了改進，如圖8所示.改進型的同步電荷提取電路工作狀態(tài)共分為四個階段：第一階段，電流經過晶體管Q1，D2正向對電容C1，C2充電;第二階段，當壓電片受到反向壓力時，電容C1兩端電壓降低，晶閘管D1，D2反向截止不能對電容C2充電;第三階段為能量提取階段，電容C2與晶閘管D1，電感L2，晶體管Q4構成LC振蕩電路，當電容C1經過1/4LC振蕩周期時，電容C2經過D4，D1，Q2，Q4放電，此時L2儲存能量較大，C2經過放電之后兩端電壓不能使Q2，Q4導通;第四階段L2經過二極管D5，把能量存儲到C4供給負載.負載獲取的能量是標準提取電路的3倍，且不需要額外的控制電路，為自供電式電源的設計提供了一種有效的途徑.

3.3 并聯(lián)電感同步收集電路

Guyomar和Badel等人建立了并聯(lián)電感同步收集電路（Synchronized Switch Harvesting on Inductor，P-SSHI）如圖9所示[6]，電路中壓電片并聯(lián)電感和開關后與整流電路連接，當壓電材料受到振動源的最大壓力時，開關閉合，電感發(fā)生LC振蕩，開關經過半個振蕩周期后斷開.此時電流橋處于截止狀態(tài)，當振動源對壓電片的壓力達到一定程度時，整流橋導通，壓電片開始對濾波電容C1和負載充電.

對P-SSHI電路仿真結果如圖10-11所示，并聯(lián)電感同步開關電路作為接口電路時，獲得的功率比經典接口電路和同步電荷接口電路高，但其需要脈沖控制，且隨著頻率的波動，收集功率也會波動.因此原始的并聯(lián)電感同步開關接口電路也不適合自供式的振動能量收集器.

文獻[7-8]對并聯(lián)電感同步開關接口電路進行了改進，稱之為自供電式接口電路，如圖12所示.此接口電路由三部分組成：第一部分主要是由壓電材料和外圍電路的控制電路開關MOS管組成，用于收集振動源的能量;第二部分主要是由異或門和放大器搭建的控制電路，控制電路接入了兩個二階RC電路，再由異或門電路搭建的數字電路連接RC電路，將壓電片輸出的電壓進入異或門的輸入，將輸出的電壓作為同步開關的控制電壓.從異或門輸出的即為同步開關的控制電壓，此控制電路避免了外部電源供電;第三部分是由電容C5，二極管D6-D8組成的直流供電部分，為負載供電.自供電式同步開關控制接口電路能夠有效提高輸出功率，且不需要外部電源.

4 結束語

本文研究分析了基于壓電方式的振動能量收集系統(tǒng)的設計過程.首先介紹了振動能量收集器在低功耗無線傳感器技術的應用前景，然后研究分析了能量收集系統(tǒng)的發(fā)電裝置和接口電路.對國內外振動能量收集器的接口電路，進行了仿真分析，重點分析負載和頻率對功率的影響.振動能量收集系統(tǒng)的功率隨著負載的變化發(fā)生變化，能量收集系統(tǒng)存在一個最優(yōu)負載，且收集系統(tǒng)對負載提供的功率受振動源頻率的波動較大.

目前適用于復雜振動源的振動收集裝置尚在研究之中，且經典的接口電路不能廣泛適用實際的復雜振動源.要針對環(huán)境中具體的振動源的特性，通過改進各種經典的接口電路來設計振動能量收集器，才能廣泛應用到低功耗的無線傳感網絡.

參考文獻：

〔1〕Churchill D L， Townsend C P， Arms S W. Strain energy harvesting for wireless sensor networks[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 2003， 5055：319-327.

〔2〕Sun C， Qin L， Li F， et al. Piezoelectric energy harvesting using single crystal Pb（Mg1/3Nb2/3）O 3-xPbTiO3 （PMN-PT） Device[J]. Journal of Intelligent Material Systems & Structures， 2009， 20（5）：559-568.

〔3〕Ottman G K， Hofmann H F， Lesieutre G A. Optimized piezoelectric energy harvesting circuit using step-down converter in discontinuous conduction mode[C]// Power Electronics Specialists Conference， 2002. Pesc 02. 2002 IEEE. IEEE， 2002：1988-1994.

〔4〕Lefeuvre E， Badel A， Richard C， et al. A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems[J]. Sensors & Actuators A Physical， 2006， 126（2）：405-416.

〔5〕屈鳳霞，夏銀水，施閣，等.自供電的同步電荷提取電路的優(yōu)化設計[J].傳感技術學報，2016，29（3）：349-355.

〔6〕Guyomar D， Badel A， Lefeuvre E， et al. Toward energy harvesting using active materials and conversion improvement by nonlinear processing.[J]. Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control IEEE Transactions on， 2005， 52（4）：584-595.

〔7〕Mitcheson P D， Yeatman E M， Rao G K， et al. Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices[J]. Proceedings of the IEEE， 2008， 96（9）：1457-1486.

〔8〕張淼，孟慶豐，王宏金.自供電式并聯(lián)電感同步開關壓電能量收集電路實現方法研究[J].振動與沖擊，2015，34（9）：120-124.