一种压电能量收集装置及控制方法与流程

1.本发明涉及微能量收集技术领域，具体为一种压电能量收集装置及控制方法。


背景技术：

2.低功耗集成电路技术的不断发展，使得无线传感器和可穿戴设备等得到了广泛的应用。目前无线传感器和可穿戴设备主要采用电池供电，而电池供电存在续航时间短、寿命有限、维护和更换复杂以及成本高等一系列问题，能量收集技术被业界公认为该领域未来，最有潜力的一种电池替代技术，成为近些年国内外研究的热点。
3.压电式振动能量收集器受外界振动影响产生应力应变时，利用压电材料的正压电效应，压电材料产生极化现象并在表面聚集电荷，通过能量管理电路即可收集、存储该电荷能量，并作为电源供能。
4.基于振动能的能量收集技术是目前国内外关注的热点，也是解决节点供能较为有效的新技术，目前压电能量收集装置结构较简单，针对压电能量收集存在的输出电压非线性，电路收集效率较低，并且会造成一定的振动能量损失，因此如何高效收集振动能量成了急需解决的问题。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种压电能量收集装置，解决了上述背景技术中提出的压电能量收集存在的输出电压非线性问题，电路收集效率较低，会造成一定的振动能量损失、能量收集不高效的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种压电能量收集装置，包括：压电收集器1，整流电路2，dc/dcboost升压电路3、采样电路4、mppt控制器5、光耦隔离电路6、驱动电路7、直流负载和蓄电池8、pc 机9；
9.所述压电收集器1与整流电路2连接；
10.所述整流电路2与所述dc/dc boost升压电路3连接；
11.所述直流负载和蓄电池8与所述dc/dc boost升压电路3连接；
12.所述采样电路4与所述mppt控制器5连接；
13.所述mppt控制器5连接与所述光耦隔离电路6、驱动电路7连接；
14.所述驱动电路7与所述dc/dc boost升压电路3连接；
15.所述pc机9与所述mppt控制器5连接。
16.优选地，所述压电收集器1包括：基座1
‑
1、支撑层1
‑
2、基板1
‑
3、基板末端质量块1
‑
4、加速度传感器1
‑
5、数据采集卡1
‑
6、压电悬臂梁1
‑
7；
17.所述压电悬臂梁1
‑
7固定安装在基板1
‑
3和支撑层1
‑
2之间，所述基板末端质量块1
‑
4安装在所述压电悬臂梁1
‑
7的非固定端；
18.所述基座1
‑
1直接或间接的与支撑层1
‑
2、基板1
‑
3、基板末端质量块1
‑
4、加速度传感器1
‑
5以及压电悬臂梁1
‑
7连接，用于固定上述组件；
19.加速度传感器1
‑
5与数据采集卡1
‑
6连接。
20.优选地，所述压电悬臂梁1
‑
7，包括：第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1、第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2、压电收集器电压输出正电极1
‑7‑
3、压电收集器电压输出负电极1
‑7‑
4；
21.所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1、第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2对称粘接在所述基板1
‑
3上；
22.所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1与第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2并联连接，并用焊接方式分别各自引出一条导线，两导线的另一端焊接短接，作为压电收集器电压输出正电极1
‑7‑
3；
23.所述基板1
‑
3表面焊接一根导线，作为压电收集器电压输出负电极1
‑7‑
4。
24.优选地，所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1与第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2 的材料、大小、形状完全一致。
25.优选地，所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1与第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2 所受到的应力方向和耦合电场方向相同。
26.优选地，所述压电悬臂梁1
‑
7的数量可以为1个或多个。
27.优选地，所述mppt控制器5中还包括：pwm发生器。
28.本发明还提供一种压电能量收集控制方法，依据如前任一所述的能量收集装置，包括：
29.压电收集器收集振动源的能量转换为电能，并测量输出交流电压；
30.压电收集器输出的交流电压经过整流电路整流后输出直流电压；
31.整流电路输出的直流电压经过dc/dcboost升压电路，输出大小可调的直流电压；
32.所述整流电路输出的直流电压和所述dc/dc boost升压电路输出的直流电压传输到采样电路中，采样电路测得电压u和电流值i；
33.通过电导增量法的mppt算法，判断采样电路测得电压u和电流值i之间的微积分关系，mppt控制器输出相应的脉宽调制信息号，通过驱动电路调节 dc/dc boost升压电路中的开关器件占空比，调节dc/dc boost升压电路输出电压。
34.优选地，所述通过电导增量法的mppt算法，判断采样电路测得电压和电流值之间的微积分关系，mppt控制器输出相应的脉宽调制信息号，具体为：
35.当di/du＞
‑
i/u时，此时压电收集器工作在最大功率点左边，此时需要通过调节更高占空比的pwm波，提高输出电压，向最大功率点逼近；
36.当di/du＝
‑
i/u时，此时压电收集器工作在最大功率点左边，无需做调整；
37.当di/du＜
‑
i/u时，此时压电收集器工作在最大功率点右边，此时需要通过输出减小占空比的pwm波，降低输出电压，向最大功率点逼近。
38.优选地，所述整流电路输出的直流电压经过dc/dc boost升压电路，输出大小可调的直流电压，此直流电压还可以输入到直流负载和蓄电池中进行电能存储。
39.(三)有益效果
40.本发明提供了一种压电能量收集装置及控制方法。具备以下有益效果：压电能量收集装置中基座与振动源相连，压电陶瓷片数目和安装位置可根据实际外界振动源需要方
便安装调试，具有较强的环境适应性；本发明采用具有mppt控制器的压电能量收集电路，其采样电路精度高、速度快，dc/dc变换电路具有良好开关频率特性，控制器控制具备良好的实时性和准确性，通过判断采样电路测得电压u和电流i之间的微积分关系调整dc/dc变换电路中的开关器件占空比即可反馈调节输出电压，从而使压电收集器的工作电压始终维持在最大功率点处，实现能量高效率的收集。
附图说明
41.图1为本发明提供的一种压电能量收集装置的系统结构示意图；
42.图2为本发明提供的一种压电能量收集装置的结构图；
43.图3为本发明提供的一种压电能量收集装置的压电悬臂梁结构图；
44.图4为本发明提供的一种压电能量收集装置的电路图；
45.图5为本发明提供的一种压电能量收集装置的双晶压电陶瓷片机电耦合模式示意图；
46.图6为本发明提供的一种压电能量收集控制方法的流程示意图；
47.图7为本发明的mppt控制器原理图。
48.图中：1压电收集器、2整流电路、3dc/dcboost升压电路、4采样电路、 5 mppt控制器、6光耦隔离电路、7驱动电路、8直流负载和蓄电池、9pc机、 1
‑7‑
1第一双晶压电陶瓷片、1
‑7‑
2第二双晶压电陶瓷片、1
‑7‑
3压电收集器电压输出正电极、1
‑7‑
4压电收集器电压输出负电极。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
50.本发明实施例提供一种压电能量收集装置，如图1
‑
4所示，一种压电能量收集装置，包括：压电收集器1，整流电路2，dc/dcboost升压电路3、采样电路4、mppt控制器5、光耦隔离电路6、驱动电路7、直流负载和蓄电池 8、pc机9；
51.所述压电收集器1与整流电路2连接，所述整流电路2用于对压电收集器的输出交流电压进行整流获得直流输出电压u
i
和直流输出电流i
i
；
52.所述整流电路2与所述dc/dc boost升压电路3连接，所述dc/dc boost 升压电路3用于对经过整流电路2整流输出的直流输出电压u
i
和直流输出电流i
i
进行升压处理，输出升压后的输出电压u
o
、输出电流i
o
；
53.所述直流负载和蓄电池8与所述dc/dcboost升压电路3连接，接收储存经由所述dc/dc boost升压电路3输出的压电能量；
54.所述采样电路4采集直流输出电压u
i
和直流输出电流i
i
以及升压后的输出电压u
o
、输出电流i
o
，将其升压为所述mppt控制器5可识别的数字信号，所述采样电路4与所述mppt控制器5连接；
55.所述mppt控制器5连接与所述光耦隔离电路6、驱动电路7连接；
56.所述驱动电路7与所述dc/dc boost升压电路3连接，用于实现所述 mppt控制器5对所述dc/dc boost升压电路3的反馈调节，调节输出电压使得所述压电收集器1的工作电
压维持在最大功率点处；
57.所述pc机9与所述mppt控制器5连接所述pc机9实时监测实际振动的加速度和强度，提供准确的数据支持进行数据通讯。
58.在一个实施例中，所述压电收集器1包括：基座1
‑
1、支撑层1
‑
2、基板1
‑
3、基板末端质量块1
‑
4、加速度传感器1
‑
5、数据采集卡1
‑
6、压电悬臂梁1
‑
7；
59.所述基板上的质量块1
‑
4要求满足整个结构对低频率的要求，又能保证压电收集器1和压电悬臂梁1
‑
7的稳定性要求。
60.所述压电悬臂梁1
‑
7固定安装在基板1
‑
3和支撑层1
‑
2之间，所述基板末端质量块1
‑
4安装在所述压电悬臂梁1
‑
7的非固定端；
61.所述基座1
‑
1直接或间接的与支撑层1
‑
2、基板1
‑
3、基板末端质量块1
‑
4、加速度传感器1
‑
5以及压电悬臂梁1
‑
7连接，用于固定上述组件；
62.加速度传感器1
‑
5与数据采集卡1
‑
6连接。
63.在一个实施例中，所述基座1
‑
1与现实生活中的振动源连接，带动压电收集器振动。
64.在一个实施例中，所述基板1
‑
3可采用cw617n型号的黄铜片；基板1
‑
3 随着基座1
‑
1和支撑层1
‑
2的振动而振动。
65.在一个实施例中，加速度传感器1
‑
5通过螺栓连接的方式，固定在基座 1
‑
3上，传感器的型号可选为上海澄科公司ca
‑
yd
‑
185型号的压电式加速度传感器，将得到的振动加速度数据传到数据采集卡，然后在pc机9实时监测实际振动的加速度和强度，提供准确的数据支持。
66.在一个实施例中，所述压电悬臂梁1
‑
7，包括：第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1、第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2、压电收集器电压输出正电极1
‑7‑
3、压电收集器电压输出负电极1
‑7‑
4；
67.所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1、第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2对称粘接在所述基板1
‑
3上；
68.所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1与第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2并联连接，并用焊接方式分别各自引出一条导线，两导线的另一端焊接短接，作为压电收集器电压输出正电极1
‑7‑
3；
69.所述基板1
‑
3表面焊接一根导线，作为压电收集器电压输出负电极1
‑7‑
4。压电收集器输出电压为压电收集器电压输出正电极1
‑7‑
3与输出负电极 1
‑7‑
4之间测量得到的电压差。
70.在一个实施例中，所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1与第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2的材料、大小、形状完全一致；
71.所述双晶压电陶瓷片，可选用型号为：pzt
‑
5h的产品。
72.如图5所示，在一个实施例中，所述第一双晶压电陶瓷片1
‑7‑
1与第二双晶压电陶瓷片1
‑7‑
2所受到的应力方向和耦合电场方向都在1，在此种工作模式下，能量收集效率更高，在感受外界振动时反应剧烈，在外界稍微的振动时，也会产生较大的形变。
73.如图2所示，在一个实施例中，所述压电悬臂梁1
‑
7的数量可以为1个或多个。
74.由于压电收集器1的内阻很大，通常为几百千欧，其压电收集器电压输出正电极1
‑
7
‑
3与输出负电极1
‑7‑
4之间输出电压高、电流小，为了方便存储及利用，须将输出的电压经过整流、滤波、dc
‑
dc boost升压转换，压电能量收集装置的电路图如图4所示。
75.在一个实施例中，所述整流电路2包括：二极管d1、二极管d2、二极管 d3、二极管d4以及滤波电容c1；
76.二极管d1与二极管d3串联，二极管d2与二极管d4，所述二极管d1、二极管d3与二极管d2、二极管d4以及滤波电容c1并联连接；
77.当压电收集器1所输出的交流电压大于滤波电容c1两端电压，二极管d2和d3导通，d1和d4截止；同理当压电收集器1所输出的交流电压小于滤波电容c1两端电压，二极管d1和d4导通，d2和d3截止；经过整流桥后输出电压为直流电。
78.如图4所示，采用boost电路作为dc/dc升压电路3，目的是为了提高能量转换的效率，同时可以提供大小可调的直流电压。其组成部分为：储能电感l、开关器件igbt、续流二极管vd、滤波电容c3；
79.dc/dc boost升压电路3其工作原理为:
80.s1开关器件igbt刚开始时导通，经过整流电路后得到的电压全部加到储能电感l，流经电感电流i
d
线性增加；同时续流二极管vd反向偏置，处于截止状态，负载由滤波电容c3供电。
81.s2 t
on
时刻，开关管关断，i
l
通过续流二极管vd4向输出侧流动，电源功率和储能电感l的容量向负载和滤波电容c3转移，给电容c3充电。
82.此时加在电感l上的电压为u
in
‑
u
o
，因为u
o
＞u
in
，故i
d
线性减小。其中t
on
为一个时间周期内开关管导通的时间。
83.s3 t时刻，其中t为周期时间，i
l
达到最小值。开始新的一个时间周期，重复上述s1 和s2。可以通过调节一个周期t内开关管导通时间t
on
来控制输出电压大小的控制。
84.为保持dc/dcboost升压电路3工作在ccm区(电流连续)，储能电感l依据下方公式计算：
85.其中，为d为占空比，为开关管导通时间占一个周期比例，即
86.考虑到电路工作时的冲击电流，开关器件的极限参数选择要有一定的裕量，开关器件 igbt选型满足：
[0087][0088]
同igbt的选型要求，考虑到电路工作时的尖峰电流，浪涌电压等，续流二极管vd应满足：
[0089][0090]
电容的选择与输出对脉动量δu
c
的设计要求有关,滤波电容c3计算：
[0091]
其中r为负载电阻，f为开关频率，
[0092]
由于压电收集器1中压电陶瓷片的输出特性呈现非线性，整个压电陶瓷片的压电电压、电流在很大程度上受悬臂梁基板1
‑
3长度、压电陶瓷宽度和厚度、外界负载阻抗大小等因素的影响。
[0093]
当相应条件改变时，整个压电收集器1的输出特性和输出功率亦发生变换，从而造成功率的损失。
[0094]
本发明采用最大功率点跟踪(maximum power point tracking缩写为 mppt)技术，通过采用mppt器来调节压电收集器1的输出，使得压电能量收集装置始终工作在最大功率点，有效的利用压电收集器1产生的能量，提高压电能量的转换效率。
[0095]
在一个实施例中，所述mppt控制器5中还包括：pwm发生器；mppt控制器5通过最大功率点处的电压值输出一个pwm脉宽调制信号来控制dc/dcboost升压电路3，通过调整dc/dcboost升压电路3中的开关器件igbt占空比即可调节输出电压，从而使压电收集器1的工作电压维持在最大功率点处，从而实现了最大功率跟踪分布式控制。
[0096]
从mppt控制器5中输出的pwm控制信号不能直接驱动dc/dc boost升压电路3中的开关器件igbt功率开关管，需要通过驱动电路7进行驱动， mosfet管驱动通常采用推免电路结构或专用mosfet驱动芯片，本实施例中，可选择德州仪器(texas instuments，ti)公司生产的ucc27324作为驱动器采用的驱动芯片，具有驱动效果好、使用方便、电路板占用空间小等优点。
[0097]
如图6
‑
7所示，本发明实施例还提供一种压电能量收集控制方法，依据如前任一所述的能量收集装置，包括：
[0098]
压电收集器收集振动源的能量转换为电能，并测量输出交流电压；
[0099]
压电收集器输出的交流电压经过整流电路整流后输出直流电压；
[0100]
整流电路输出的直流电压经过dc/dc boost升压电路，输出大小可调的直流电压；
[0101]
所述整流电路输出的直流电压和所述dc/dc boost升压电路输出的直流电压传输到采样电路中，采样电路测得电压u和电流值i；
[0102]
通过电导增量法的mppt算法，判断采样电路测得电压u和电流值i之间的微积分关系，mppt控制器输出相应的脉宽调制信息号，通过驱动电路调节 dc/dc boost升压电路中的开关器件占空比，调节dc/dc boost升压电路输出电压。
[0103]
从而使压电收集器的工作电压维持在最大功率点处，从而实现了最大功率跟踪分布式控制。
[0104]
如图7所示，压电能量收集器p
‑
u输出特性曲线图可以看出其为一条单峰曲线，其曲线在一定范围，处处连续且可导。当导数值dp/du＝0时，函数取到极值，该极值点就是为最大功率输出点；则
[0105][0106]
优选地，所述通过电导增量法的mppt算法，判断采样电路测得电压u和电流值i之间的微积分关系，mppt控制器输出相应的脉宽调制信息号，具体为：
[0107]
当di/du＞
‑
i/u时，此时压电收集器工作在最大功率点左边，此时需要通过调节更高占空比的pwm波，提高输出电压，向最大功率点逼近；
[0108]
当di/du＝
‑
i/u时，此时压电收集器工作在最大功率点左边，无需做调整；
[0109]
当di/du＜
‑
i/u时，此时压电收集器工作在最大功率点右边，此时需要通过输出减小占空比的pwm波，降低输出电压，向最大功率点逼近。
[0110]
优选地，所述整流电路输出的直流电压经过dc/dc boost升压电路，输出大小可调的直流电压，此直流电压还可以输入到直流负载和蓄电池中进行电能存储。
[0111]
综上所述，本发明提供了一种压电能量收集装置及控制方法。具备以下有益效果：
[0112]
压电能量收集装置中基座与振动源相连，压电陶瓷片数目和安装位置可根据实际外界振动源需要方便安装调试，具有较强的环境适应性；本发明采用具有mppt控制器的压电能量收集电路，其采样电路精度高、速度快，dc/dc 变换电路具有良好开关频率特性，控制器控制具备良好的实时性和准确性，通过判断采样电路测得电压u和电流值i之间的微积分关系调整dc/dc变换电路中的开关器件占空比即可反馈调节输出电压，从而使压电收集器的工作电压始终维持在最大功率点处，实现能量高效率的收集。
[0113]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。