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(yīng)，壓電材料可以將環(huán)境中的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。因此應(yīng)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(chǔ)存方法一直是許多研究的目標(biāo)[1-4]。

例如，利用火炮射擊過程產(chǎn)生的瞬時(shí)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(yīng)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(yīng)用在彈藥引信上的壓電發(fā)電機(jī)已開始進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估實(shí)際應(yīng)用情況。

在彈藥領(lǐng)域，主要目標(biāo)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(zhǎng)儲(chǔ)性和環(huán)境適應(yīng)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(yīng)用的化學(xué)電源。這種電源能夠滿足日常勤務(wù)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(yīng)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(yīng)當(dāng)指出的是，壓電元件在火炮射擊的加速度作用下會(huì)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(dòng)”電源可以為出炮口就需要電能的彈藥提供動(dòng)力。

本文將介紹壓電式能量收集電源的設(shè)計(jì)和工作原理，重點(diǎn)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(shí)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(dòng)力源可分為2 個(gè)方向：一個(gè)方向是將輸入沖擊載荷使彈性勢(shì)能貯存在質(zhì)點(diǎn)彈簧系統(tǒng)的彈性單元內(nèi)，這將引起質(zhì)點(diǎn)彈簧系統(tǒng)出炮口之后的振動(dòng)，然后應(yīng)用壓電元件將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能[6-8]；另一個(gè)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(shí)間很短，大概幾千分之一秒，則不用彈性單元貯存機(jī)械能，而是利用沖擊載荷給壓電元件一個(gè)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(gè)研究方向都有挑戰(zhàn)，特別是后一個(gè)方向，由于沖擊載荷作用時(shí)間非常短，很難有效將壓電元件產(chǎn)生的電荷進(jìn)行收集并貯存在電容器中。本文就是為了解決這個(gè)問題提出了一個(gè)新的方法。

1.1 通過彈性勢(shì)能獲取能量

如圖1 所示，系統(tǒng)由一個(gè)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(zhǎng)度d，因此彈簧獲取了（1/2k·d2）的彈性勢(shì)能。通常，承受高過載的彈藥會(huì)通過某種方式限制彈簧系統(tǒng)壓縮量以保護(hù)壓電元件。炮彈一旦離開身管，向前的加速度就消失了，同時(shí)彈簧系統(tǒng)開始振動(dòng)。因此利用這種方法設(shè)計(jì)的電源是通過轉(zhuǎn)化炮彈射擊過程產(chǎn)生的彈性勢(shì)能得到電能的。

圖1 基于彈藥平臺(tái)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(jì)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(dòng)和抖動(dòng)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(shì)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(tái)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(tái)的原因，這樣選擇安裝位置是比較合理的。

在具體的實(shí)際設(shè)計(jì)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(dòng)水平和頻率[9-11]。

1.2 能量收集電源及電荷收集存儲(chǔ)設(shè)備

在這組能量收集裝置中，壓電元件由于自身重力會(huì)被壓縮一小部分，同時(shí)在射擊瞬間由于火炮身管后退形成的后退加速度會(huì)給壓電元件一個(gè)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(chǔ)設(shè)備將電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)電容器，圖3 為壓電元件上產(chǎn)生的可用電荷隨時(shí)間而變化的曲線。

對(duì)于單次射擊的電荷生成和存儲(chǔ)的基本電路如圖4所示，現(xiàn)有的能量收集裝置里的獨(dú)立壓電元件可看做一個(gè)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(dāng)壓電元件在彈藥發(fā)射過程中受到?jīng)_擊載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷（Q），從而形成電流i1通過節(jié)點(diǎn)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(diǎn)1 處，隨著電容不斷充電其電壓會(huì)不斷上升，但二極管D2的保護(hù)作用使得節(jié)點(diǎn)2 沒有順時(shí)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?jī)?chǔ)存在電容Cp中，一開始電感L1是完全放電無磁場(chǎng)狀態(tài)，當(dāng)連接到壓電元件這樣的電壓源時(shí)，由于電感L1的自感作用使電路瞬時(shí)開路。在設(shè)計(jì)初期由于合理的選擇了時(shí)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(chǔ)存在電感磁場(chǎng)中。

圖3 受到短時(shí)沖擊載荷時(shí)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(dāng)壓電單元達(dá)到最大變形量時(shí)，電流i2和i3反向流動(dòng)，此時(shí)壓電單元開始吸收能量。因此在電感L1的磁場(chǎng)中儲(chǔ)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模詢?chǔ)存電容Cp中的能量能夠通過電感L2流入電容C，而前期儲(chǔ)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(jì)。

圖6 等效電路

1.3 一次能量收集試驗(yàn)臺(tái)

目前設(shè)計(jì)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(jī)械模擬裝置，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)能夠容納不同尺寸的壓電元件，帶有預(yù)裝彈簧的錘子由旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)釋放，以撞擊定位壓電元件的鐵氈。這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)目前通過改變彈簧的預(yù)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(yàn)臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用在模擬射擊峰值加速度達(dá)3000g 持續(xù)時(shí)間5 ms 的工況。圖示的試驗(yàn)臺(tái)可容納高幾毫米且直徑達(dá)12 mm 的壓電單元用以產(chǎn)生峰值電壓，通?？蛇_(dá)到數(shù)十伏。

圖7 模擬試驗(yàn)臺(tái)

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(shí)收集和存儲(chǔ)產(chǎn)生電荷的新方法。即使脈沖作用時(shí)間遠(yuǎn)低于0.1 s，這種被動(dòng)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(gè)快速響應(yīng)的電路中，可將產(chǎn)生的電荷有效存儲(chǔ)在電容中。

值得注意的是，該方法不僅可以用于單個(gè)脈沖形成電荷的收集和存儲(chǔ)，還可用于多脈沖形成電荷的收集和存儲(chǔ)。通過將電荷脈沖有序地傳遞到電荷收集和存儲(chǔ)的并聯(lián)電路中，電能可從高頻振動(dòng)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(cè)試和驗(yàn)證了電能收集和儲(chǔ)存的方法是合理可行的。