劉淼 金振洲 陳曉琦

摘要：文章詳細(xì)闡述了一種可社交排名的穿戴式俘能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)包括壓電俘能裝置，電量?jī)?chǔ)存裝置，電量統(tǒng)計(jì)裝置和運(yùn)動(dòng)APP。該系統(tǒng)利用PZT壓電技術(shù)，俘獲運(yùn)動(dòng)產(chǎn)能，電量收集電路進(jìn)行能量收集，鎳氫電池進(jìn)行電量存儲(chǔ)，通過(guò)建模分析電壓和電流關(guān)系，測(cè)量?jī)?chǔ)電模塊的電量并通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至運(yùn)動(dòng)APP，根據(jù)產(chǎn)電電量的多少進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)排名。

關(guān)鍵詞：PZT壓電技術(shù);運(yùn)動(dòng)產(chǎn)能;實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)排名

中圖分類號(hào)：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0025-02

1概述

近年來(lái)，環(huán)境振動(dòng)能量已成為環(huán)保研究者的“新寵”，被應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的供電系統(tǒng)中，用以取代傳統(tǒng)的電池供電。壓電能量采集因其具有轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的微小化等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為振動(dòng)能量采集研究的熱點(diǎn)。

科學(xué)家們針對(duì)壓電材料的特性，設(shè)置并制作出了多種壓電裝置。Granstrom等人設(shè)計(jì)了一種壓電背包，該背包在人體走動(dòng)時(shí)上下晃動(dòng)的過(guò)程中提取能量，實(shí)驗(yàn)表明，包重220N的情況下，在背包帶中植入兩根52um厚的PVDF長(zhǎng)帶，步行速度為3km/h，平均輸出可以達(dá)到45.6mW。Michele通過(guò)將設(shè)計(jì)的壓電懸臂俘能器置于膝蓋部位，用以收集人在行走是膝蓋彎曲產(chǎn)生的能量。但是所述的采用壓電等技術(shù)制作的俘能裝置因體積大，笨重，且不適于向大眾推廣。本文提供了一種輕便小巧、能引起大眾環(huán)保意識(shí)的穿戴式俘能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)有效利用運(yùn)動(dòng)產(chǎn)能的。

該系統(tǒng)首先采用多片并聯(lián)PZT陶瓷發(fā)電片進(jìn)行壓力發(fā)電;產(chǎn)生的電能通過(guò)電量收集電路，儲(chǔ)存到可充電鎳氫電池中;外加的電量統(tǒng)計(jì)模塊采用開路電壓法，利用AD轉(zhuǎn)換芯片測(cè)量電池的開路電壓，進(jìn)而通過(guò)查詢特性曲線圖得到電池中的電量，并將電量數(shù)據(jù)通過(guò)低功耗藍(lán)牙通信模塊定時(shí)傳送至運(yùn)動(dòng)APP，運(yùn)動(dòng)APP對(duì)數(shù)據(jù)處理計(jì)算后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)電排名。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)抓住運(yùn)動(dòng)健身APP的熱潮，將輕便穿戴式俘能裝置收集的電量數(shù)值發(fā)送至運(yùn)動(dòng)APP，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排名，將節(jié)能環(huán)保的意識(shí)傳遞給每一個(gè)使用者。

2壓電俘能

系統(tǒng)中該模塊選用高效節(jié)能的PZT壓電陶瓷發(fā)電片作為核心器件，通過(guò)在鞋底部及身體其他部位設(shè)置PZT材料實(shí)現(xiàn)壓電俘能。利用壓電材料可直接實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，所存儲(chǔ)的電能可實(shí)時(shí)供電給手機(jī)等智能設(shè)備。為提高輸出功率，使用多片PZT并聯(lián)進(jìn)行發(fā)電;在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為加強(qiáng)擠壓效果，在壓電片上黏上高彈橡膠塊。PZT常用參數(shù)如下表格1所示：

3儲(chǔ)存電能

壓電陶瓷片在振動(dòng)環(huán)境中只能輸出低功率、小電流的交流電，無(wú)法直接輸出到儲(chǔ)電設(shè)備。通常需要設(shè)計(jì)附加的能量采集電路，以便完成交直流轉(zhuǎn)換和能量存儲(chǔ)。為了進(jìn)一步提高發(fā)電輸出功率，我們將在壓電片輸出端接入以LTC3588-1電源管理芯片為核心的電壓變換電路以及LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路，將收集到的電能變換后存儲(chǔ)到電池中。該采集電路能穩(wěn)定輸出4.1V直流電壓來(lái)為電池充電，實(shí)現(xiàn)了將壓電片產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)到鋰電池，具有應(yīng)用前景。

結(jié)合已有的1.2V可充電鎳氫電池，給其充電最低功率達(dá)到0.23W即可實(shí)現(xiàn)充電。所以，選用鎳氫電池能在壓電俘能輸出功率較小的情況下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電功能。為達(dá)到給移動(dòng)設(shè)備充電的目的，采取多節(jié)鎳氫電池并聯(lián)儲(chǔ)存電量;放電時(shí)通過(guò)升壓模塊進(jìn)行將輸出電壓升至指定值。

4電量統(tǒng)計(jì)

通過(guò)上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)，我們成功將運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)電模塊之中。本設(shè)計(jì)中用開路電壓法計(jì)量?jī)?chǔ)電模塊中的電量。開路電壓法操作簡(jiǎn)單，具有可行性。其根本思路是根據(jù)電池的剩余電量與開路電壓有一定的關(guān)系而建立的。使用該方法時(shí)，采用AD轉(zhuǎn)換芯片測(cè)量電池的開路電壓，進(jìn)而通過(guò)查詢特性曲線圖得到估計(jì)的電量值。

查詢資料吸相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如圖2。

電量統(tǒng)計(jì)模塊在每日清晨，對(duì)電池儲(chǔ)能模塊進(jìn)行一次電量計(jì)量。測(cè)出電池電壓，按上面給出的表格數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的電量，并以此為基準(zhǔn)電量。此后，用戶打開運(yùn)動(dòng)APP時(shí)，電量統(tǒng)計(jì)模塊實(shí)時(shí)計(jì)量以此當(dāng)前電量，并將其與基準(zhǔn)電量的差值通過(guò)藍(lán)牙通信模塊傳送至運(yùn)動(dòng)APP，進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)電排名。

5實(shí)時(shí)通信

通信模塊選用低功耗藍(lán)牙芯片為主體，數(shù)值傳輸準(zhǔn)確，傳輸效率較高，并且在傳輸?shù)倪^(guò)程中所損失的能量較少，從而達(dá)到了節(jié)約能源這一目的。

當(dāng)用戶打開運(yùn)動(dòng)APP界面，需要查看排名時(shí)，藍(lán)牙通信模塊便將電量統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)產(chǎn)生電量的統(tǒng)計(jì)值實(shí)時(shí)傳送至運(yùn)動(dòng)APP，從而讓運(yùn)動(dòng)APP進(jìn)行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)電排名。

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試不同參數(shù)與不斷對(duì)比可行的方案，我們證實(shí)了該系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)小巧，實(shí)用耐用，便于運(yùn)動(dòng)時(shí)攜帶，同時(shí)與移動(dòng)端運(yùn)動(dòng)APP的結(jié)合，符合大眾的心理需求，易于推廣。未來(lái)該系統(tǒng)可往小型化方向進(jìn)一步產(chǎn)品化，可以設(shè)計(jì)成更貼合各種運(yùn)動(dòng)、健身活動(dòng)的外觀產(chǎn)品。