壓電能源采集器綜述ppt課件

1、課題綜述 霍新新2019.12主要內(nèi)容 波浪能的轉(zhuǎn)換方式 有關(guān)壓電振動子的引見 基于壓電能采集的需求而衍生的電路設(shè)計一 波浪能的轉(zhuǎn)換方式分類傳統(tǒng)上：波浪能 機械能 電能 這里面機械能的方式是多種多樣的，包括：利用波浪能的上下沉浮和搖擺而產(chǎn)生的機械能；利用波浪的爬升將波浪能轉(zhuǎn)化為水的勢能特點：將多種方式的機械能最終都是轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動的機械能方式，以到達(dá)發(fā)電的效果。波浪能的轉(zhuǎn)化方式分類 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)在沿一定方向上遭到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化景象，同時在它的兩個相對外表上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的形

2、狀，這種景象稱為正壓電效應(yīng)。二 壓電振動子方面的引見壓電振子：各種運用環(huán)境不同，我們運用壓電資料時總是把壓電資料制成各種不同形 狀，在這些不同外形的壓電資料外表涂上電極，就成為壓電振子。壓電振動子方面的引見分為以下兩個部分：1壓電振動子的資料選擇：由壓電系數(shù)的大小和制造的難易程度來選擇。2壓電振動子的外形選擇：外形關(guān)系到力學(xué)性能，比如說壓電片的運用壽命等。1壓電資料的選擇 壓電系數(shù)：壓電系數(shù)是壓電體把機械能轉(zhuǎn)變成電能或把電能轉(zhuǎn)變成機械能的轉(zhuǎn)變系數(shù)，反響壓電資料彈性性能與介電性能之間的耦合關(guān)系。 常用的壓電資料：壓電資料包含單晶體，多晶體，晶態(tài)聚合物和非晶態(tài)聚合物，目前大多運用陶瓷資料，常用的有

3、：PVDF, ZnO, PZT等。 PVDF: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)較低而很少運用。 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)品中均有運用。雖然壓電系數(shù)不大，但是可制造性非常好。 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數(shù)量級以上，因此是最常用的塊狀振動能量轉(zhuǎn)化子。壓電振動子的振動方式 壓電振子的振動方式是指壓電振子用來完成機械能與電能之間相互轉(zhuǎn)化的振動方式。 在設(shè)計壓電振子時要選擇適宜的壓電振子振動方式。壓電振子的極化方向與電場方向平行時，產(chǎn)生伸縮振動，壓電振子的極化方向與電場方向垂直時，產(chǎn)生切變

4、振動。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形狀下，振動幅度會到達(dá)最大值，發(fā) 電量也會到達(dá)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。 能量采集技術(shù)的最新動態(tài) 來自【日中環(huán)保生態(tài)網(wǎng)】的音訊：可將無線傳感器的平均功耗降至1W以下的技術(shù)開場顯現(xiàn)出眉目。不斷妨礙電力轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)小型化的瓶頸終于要被突破了。 意義：以上的技術(shù)突破促進了裝有電力轉(zhuǎn)換元件的能量采集器件的小型化開展。最近面世的能量采集技術(shù) 詳細(xì)而言，就是將體溫、步行、太陽光、室內(nèi)電燈、電視及手機等接納的電波、地?zé)?、植物及食物的電解液、日常生活及交通工具的振動及壓力等作為電力源運用。 此外

5、，日本大企業(yè)也開場涉足能量采集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)也開場正式開發(fā)電力轉(zhuǎn)換元件及EH元件。功耗決議EH元件的尺寸典型EH元件的根本參數(shù) 此前獲得運用的EH元件絕大部分都需求耗費數(shù)W以上的電力。但為提高易用性而減少元件尺寸后，只能獲得1W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，最低運轉(zhuǎn)功耗為10W100W。可提供10W電力的電力轉(zhuǎn)換元件的尺寸約為10cm2(數(shù)cm見方以上。 如何處理既要運用小尺寸傳感器又要滿足運用要求是我們要處理的主要問題。如何處理？ 處理方式主要有以下兩種: 1 在耗費功耗的元件上，我們要設(shè)法降低元件的運用功耗，設(shè)計

6、更低功耗的傳感器，以及與之配合的元件電路上。 2設(shè)法提高能量搜集設(shè)備的效率，將搜集的能量會聚，在輸出給通用傳感器，這就必需在搜集電路上下功夫。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)開場問世，詳細(xì)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任務(wù)。2低功耗建立在間歇運轉(zhuǎn)的根底上，原理，先破費時間將電力儲存在電容器或充電電池中，然后再間歇驅(qū)動無線通訊電路運轉(zhuǎn)。PS 本人的想法：我們可以根據(jù)詳細(xì)的環(huán)境進展分析，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在一次轉(zhuǎn)換中可以并聯(lián)兩個或兩個以上的能量轉(zhuǎn)換源，比如我們可以在利用振動

7、能的時候同時利用溫差能，將二者的能量聚集到一同提供應(yīng)要供電的系統(tǒng)，前提是這兩種能量源要能用類似的電路系統(tǒng)。超低功耗電路設(shè)計原那么 系統(tǒng)總功耗=靜態(tài)功耗+動態(tài)功耗 靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗電流常用于評價電路的靜態(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。 動態(tài)功耗：表達(dá)在電路進展邏輯形狀轉(zhuǎn)換過程中的電路內(nèi)部耗費的功耗。對于CMOS電路來說，主要表達(dá)在瞬時導(dǎo)通功耗和電容充放電功耗。 電路系統(tǒng)的總功耗與系統(tǒng)的電源電壓有很大關(guān)系，而動態(tài)功耗除了和電源電壓的平方有關(guān)系外還和電路任務(wù)的脈沖反復(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)計原那么：“三相宜原那么即：電源電壓不宜高，時鐘宜慢不

8、宜快，系統(tǒng)宜靜不宜動。設(shè)計低功耗電路的詳細(xì)原那么 在滿足運用要求的前提下盡量選擇低功耗處置器MCU，如CMOSHMOS. 外圍器件盡量選擇與單片機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)計的器件。 電源管理方面采用單電池電源實現(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獨立，在不任務(wù)的時候可以分別斷電，節(jié)省功耗。 盡量選用軟件替代硬件進展任務(wù)。目前比較通用的符能器D33 D33方式的振動符能器 特點：沿壓電纖維方向正負(fù)分支電極交叉陳列,上下外表的電極構(gòu)造完全對稱。d33方式提供了沿壓電纖維長度方向的極化電場,使得傳感器任務(wù)時運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

9、前比較通用的符能器-D31 D31方式振動符能器 特點：d31方式提供了垂直于纖 維方向的極化電場,使得傳感器任務(wù)時運用較小的壓電常數(shù)d31。這種電極的構(gòu)造特點是:正負(fù)分支電極分別位于金屬壓電纖維上下外表,在電極區(qū)附近的電場均勻分布。兩種任務(wù)方式的比較 相對于d31方式俘能器,叉指電極構(gòu)造尺寸對任務(wù)于d33方式的懸臂梁俘能器輸出電壓影響更大。d33方式的機電耦合性比d31方式的要好。 MFC和基板資料厚度比為0. 6時,d31方式俘能器的輸出電壓最大。MFC和基板資料厚度比為0. 75時,d33方式俘能器的產(chǎn)生電荷量最多 d33方式俘能器具有能輸出高電壓值與低電流值特特點，d31方式俘能器具有

10、能輸出低電壓值與高電流值特點。3-壓電符能電路的引見 由壓電振子傳的能量是交流電，而且電量非常的弱，假設(shè)想正常運用必需對電路進展后續(xù)處置，正常的家用電器需求穩(wěn)定的直流電源，所以普通情況下壓電產(chǎn)生的能量需求經(jīng)過以下幾個模塊。AC-DC濾波DC-DC電量儲存1經(jīng)典電路經(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， 為與實踐負(fù)載耗費相 同的等效電阻， 濾波電容 C 遠(yuǎn)大于靜態(tài)夾持 電容 C p ， 目的在于減小輸 出電壓波紋 。 經(jīng)典電路是如今存在的各種電路的鼻祖，也是各種電路的根底，它最早被提出來，

11、后人根據(jù)這個電路進展了各種各樣的改良，這個電路本身屬于為分析而存在的電路，用這種電路搜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對象，跟經(jīng)典電路比效率高多少成為衡量電路性質(zhì)優(yōu)劣的規(guī)范。2同步提取電路同步提取電路當(dāng)壓電元件兩端電壓與構(gòu)造振動速度一直堅持同向時，壓電發(fā)電機輸 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 到達(dá)峰值時 ， 閉合開關(guān) s， 那么壓電等效 電容 c 與電感 L構(gòu)成振蕩 回路 ， 壓電元件上累積的電能 在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)移為電感 中的磁能存儲 ； 電能轉(zhuǎn)移 完成后 ，開關(guān)翻開，壓電元件開路 ， 同步電荷提取 電路輸 出功率恒定 ，

12、 其緣由在于開封鎖合 時間等于 L - C 回路振蕩周期的 14 ， 恰在這段 時間內(nèi)電能全部 轉(zhuǎn)換為磁能 ， 與負(fù)載大小無關(guān) 。3改良的無源同步改良的無源同步電荷提取電路電荷提取電路由于同步電荷提取電路中需求對開關(guān)進展開關(guān)控制，針對開關(guān)的控制提出了一種改良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。這個電路提出來后也沒有得到太多的關(guān)注，由于它在設(shè)計分析時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，電量損耗會很大，所以效率不是特別的高。關(guān)于開關(guān)控制的闡明： 如今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求開

13、關(guān)控制。目前針對這種控制系統(tǒng)主要采用與單片機結(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，主要思索的是控制需求供能，它能否可以由壓電系統(tǒng)供能或者另外接電源是根據(jù)壓電系統(tǒng)產(chǎn)能量大小而決議的。4-Parallel-sshi電路電路右圖為SSHI電路中最具代表性且開展的最早的電路，可以說其他的SSHI電路均是在這個電路根底之上開展起來的。該電路在電源兩端并聯(lián)了一個電感線圈，它的主要作用是：減少寄生電容的大小，導(dǎo)努力電耦合系數(shù)被無限的放大了，所以引起功績的極大提高最多可提高900%。而且對壓電振動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

14、極值做振動同步控制。5-series-sshi電電路路Series-SSHI電路是經(jīng)過瞬間提取能量的方式來堅持寄生電容Cp的效應(yīng)，最終使壓電振動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)對多種刺激源時候的順應(yīng)性。關(guān)于電路的小總結(jié) 我們前面引見的電路是目前比較通用的幾種電路，他們共同的優(yōu)勢在哪里呢？ 對于壓電設(shè)計電路主要圍繞著以下兩個方面： 1-負(fù)載效應(yīng)：外加阻抗大小在與原壓電系統(tǒng)自帶阻抗相等時候，即阻抗匹配時系統(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)的共振頻率相等時候才干促發(fā)最大的功率輸出。 所以，前面提到的電路普通都是處理了上面兩方面之中的一個

15、方面，例如SSHI電路就是經(jīng)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現(xiàn)功率的提升的。 我們以后設(shè)計電路也是主要圍繞著這幾個方面進展優(yōu)化設(shè)計。我們的目的 我們?nèi)缃衲康氖悄茉O(shè)計一種電路，使之可以同時做多個懸臂梁發(fā)電時候的中間轉(zhuǎn)換傳送媒介，經(jīng)過減少電子元件尤其是晶體二極管的電能耗費，來到達(dá)提升輸出效率的作用。 希望我們設(shè)計的電路能對多種不同刺激源都能進展有效的電能轉(zhuǎn)換。當(dāng)前主要是在對同頻率不同相位的刺激源尋求整合處理方法上進展嘗試。經(jīng)過改良經(jīng)典電路對多個懸臂梁進展電采集：經(jīng)過改良SSHI電路對多個梁的電采集：關(guān)于多個梁電采集的闡明 對這種多個懸臂梁的電采集要思索的是不同的梁產(chǎn)生的電流假設(shè)方向不同會在電流交匯點引起電流代數(shù)上的抵消，假設(shè)控制不好這樣也答不到提高輸出效率的作用。同時必需指出的是多個梁的電搜集并不是簡單的相加減。 在對多個梁進展電采集的時候要充分思索到控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，需求盡量簡化電路。接下來要做的事： 1經(jīng)過對多個電路進展原理上的分析，找出各