基于壓電理論的電能收集和存儲方法在彈藥上的應用

任華杰，關(guān)帥，冀志軒

（海裝沈陽局，沈陽110000）

0 引 言

隨著科技發(fā)展，特別是低功耗電子元件、傳感器、無線通信設(shè)備的發(fā)展，從環(huán)境中獲取能量的電能發(fā)生器引起了新的關(guān)注。利用壓電效應，壓電材料可以將環(huán)境中的振動轉(zhuǎn)化為電能。因此應用壓電材料的電能發(fā)生器及基于壓電材料的電能收集、調(diào)節(jié)和儲存方法一直是許多研究的目標[1-4]。

例如，利用火炮射擊過程產(chǎn)生的瞬時巨大沖擊產(chǎn)生電能并不是全新的技術(shù)。這類研究成果已經(jīng)應用在部分艦載火炮彈藥上[5-8]。目前在發(fā)射加速度為20 000g～40 000g的情況下可產(chǎn)生200 MJ 的能量，能夠滿足中低功耗的設(shè)備需要，并且有幾種利用彈藥射擊過程的加速度產(chǎn)生電能的應用在彈藥引信上的壓電發(fā)電機已開始進行測試，以評估實際應用情況。

在彈藥領(lǐng)域，主要目標是利用壓電式能量收集技術(shù)開發(fā)出具有快速通電能力的電源，并且結(jié)合安全性要求，提高此類電源長儲性和環(huán)境適應性，以滿足軍事作戰(zhàn)的要求（一般溫度要求為-65～+175 ℃，貯存期為20 a）。

基于壓電式能量收集技術(shù)開發(fā)的電源已被證明能夠替代許多彈藥和引信應用的化學電源。這種電源能夠滿足日常勤務處理的安全要求，并且具有良好的抗電磁干擾和電磁脈沖特性。另外在許多彈藥和引信要求越來越小型化的今天，應用壓電式能量收集技術(shù)開發(fā)的電源也能夠滿足這種要求。

應當指出的是，壓電元件在火炮射擊的加速度作用下會立即產(chǎn)生電荷，并可將電能貯存在電容器中供后續(xù)使用。因此，可以將壓電式電源與其他傳統(tǒng)電源整合在一起，這樣就可通過壓電式電源率先為彈藥和引信提供電能直至傳統(tǒng)電源開始可靠工作，這種“混動”電源可以為出炮口就需要電能的彈藥提供動力。

本文將介紹壓電式能量收集電源的設(shè)計和工作原理，重點是電能收集和貯存的過程，特別是壓電元件如何在射擊后作用時間很短的壓力脈沖下產(chǎn)生電荷。

1 通過發(fā)射加速度獲取電能

目前研究彈藥能量獲取的動力源可分為2 個方向：一個方向是將輸入沖擊載荷使彈性勢能貯存在質(zhì)點彈簧系統(tǒng)的彈性單元內(nèi)，這將引起質(zhì)點彈簧系統(tǒng)出炮口之后的振動，然后應用壓電元件將振動的機械能轉(zhuǎn)換成電能[6-8]；另一個方向是由于裝置的可利用空間很小或是由于沖擊載荷作用時間很短，大概幾千分之一秒，則不用彈性單元貯存機械能，而是利用沖擊載荷給壓電元件一個很短的加載脈沖來產(chǎn)生電能，下文我們稱之為“一次發(fā)射”能量收集式電源。兩個研究方向都有挑戰(zhàn)，特別是后一個方向，由于沖擊載荷作用時間非常短，很難有效將壓電元件產(chǎn)生的電荷進行收集并貯存在電容器中。本文就是為了解決這個問題提出了一個新的方法。

1.1 通過彈性勢能獲取能量

如圖1 所示，系統(tǒng)由一個等效質(zhì)量的m 和勁度系數(shù)k 彈簧組成，在炮彈發(fā)射過程中，上述的彈簧系統(tǒng)受到沿箭頭方向向上的加速度a。因此彈簧受到F=m·a 的壓力，并使得彈簧在加速度方向壓縮長度d，因此彈簧獲取了（1/2k·d2）的彈性勢能。通常，承受高過載的彈藥會通過某種方式限制彈簧系統(tǒng)壓縮量以保護壓電元件。炮彈一旦離開身管，向前的加速度就消失了，同時彈簧系統(tǒng)開始振動。因此利用這種方法設(shè)計的電源是通過轉(zhuǎn)化炮彈射擊過程產(chǎn)生的彈性勢能得到電能的。

圖1 基于彈藥平臺上的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)

圖2 安裝在壓電單元上的質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)

通過合理設(shè)計質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，利用彈丸飛行過程中受到空氣阻力產(chǎn)生的振動和抖動也能產(chǎn)生電能，在這種電源中，大量的壓電元件用來將彈性勢能轉(zhuǎn)換為電能，因此這類壓電元件最后放置在彈簧元件和彈藥平臺的一端，如圖2 所示。這種壓電單元由于塑封和需要固定在彈藥平臺的原因，這樣選擇安裝位置是比較合理的。

在具體的實際設(shè)計中，有更多的因素需要考慮，例如：可安裝彈性系統(tǒng)的空間大小，射擊過程的加速度大小及彈丸飛行過程中受到的振動水平和頻率[9-11]。

1.2 能量收集電源及電荷收集存儲設(shè)備

在這組能量收集裝置中，壓電元件由于自身重力會被壓縮一小部分，同時在射擊瞬間由于火炮身管后退形成的后退加速度會給壓電元件一個沖擊載荷，并形成附加質(zhì)量，然后壓電元件產(chǎn)生了短暫的電荷，并由電荷收集和存儲設(shè)備將電荷轉(zhuǎn)移至存儲電容器，圖3 為壓電元件上產(chǎn)生的可用電荷隨時間而變化的曲線。

對于單次射擊的電荷生成和存儲的基本電路如圖4所示，現(xiàn)有的能量收集裝置里的獨立壓電元件可看做一個電容Cp與電源Q 并聯(lián)，如圖5 所示。圖4 的等效電路如圖6 所示。當壓電元件在彈藥發(fā)射過程中受到?jīng)_擊載荷時，會產(chǎn)生電荷（Q），從而形成電流i1通過節(jié)點1，電流i1一部分（電流i2）流入電感L1，一部分（電流i3）流入電容Cp。在節(jié)點1 處，隨著電容不斷充電其電壓會不斷上升，但二極管D2的保護作用使得節(jié)點2 沒有順時針電流流入。由于電容和電感瞬態(tài)完全相反的特性，壓電元件產(chǎn)生的能量儲存在電容Cp中，一開始電感L1是完全放電無磁場狀態(tài)，當連接到壓電元件這樣的電壓源時，由于電感L1的自感作用使電路瞬時開路。在設(shè)計初期由于合理的選擇了時間常數(shù)，因此壓電元件產(chǎn)生的能量最終流入電感L1，并儲存在電感磁場中。

圖3 受到短時沖擊載荷時的壓電元件產(chǎn)生電荷曲線

圖4 一次射擊的電荷產(chǎn)生和收集的循環(huán)電路

圖5 壓電元件的等效電路

當壓電單元達到最大變形量時，電流i2和i3反向流動，此時壓電單元開始吸收能量。因此在電感L1的磁場中儲存的能量轉(zhuǎn)移到電容Cp中。二極管D1能阻止能量從電容Cp中損失，由于二極管D2是正向?qū)ǖ?，所以儲存電容Cp中的能量能夠通過電感L2流入電容C，而前期儲存在電感L2中的能量則通過二極管D3流向電容C，兩者在電容C 中累計。

圖6 等效電路

1.3 一次能量收集試驗臺

目前設(shè)計了一種利用非常短暫的壓縮載荷并作用在壓電單元上的機械模擬裝置，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。這個試驗臺能夠容納不同尺寸的壓電元件，帶有預裝彈簧的錘子由旋轉(zhuǎn)凸輪機構(gòu)釋放，以撞擊定位壓電元件的鐵氈。這個試驗臺目前通過改變彈簧的預載荷和錘子的質(zhì)量可以模擬射擊加速度超過5000g 的情況。例如，該試驗臺已經(jīng)應用在模擬射擊峰值加速度達3000g 持續(xù)時間5 ms 的工況。圖示的試驗臺可容納高幾毫米且直徑達12 mm 的壓電單元用以產(chǎn)生峰值電壓，通常可達到數(shù)十伏。

圖7 模擬試驗臺

2 結(jié) 論

本文提出了一種在壓電元件受到?jīng)_擊載荷脈沖時收集和存儲產(chǎn)生電荷的新方法。即使脈沖作用時間遠低于0.1 s，這種被動充電電路也能夠有效收集脈沖作用產(chǎn)生的電荷。而且在這個快速響應的電路中，可將產(chǎn)生的電荷有效存儲在電容中。

值得注意的是，該方法不僅可以用于單個脈沖形成電荷的收集和存儲，還可用于多脈沖形成電荷的收集和存儲。通過將電荷脈沖有序地傳遞到電荷收集和存儲的并聯(lián)電路中，電能可從高頻振動中獲得。

綜上所述，通過給壓電元件施加壓縮載荷來模擬彈藥射擊過程中產(chǎn)生和收集電能過程，測試和驗證了電能收集和儲存的方法是合理可行的。