黃勤斌, 陳遠(yuǎn)晟, 王 舟, 王 浩

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引 言

傳統(tǒng)的化學(xué)電池具有體積大、不易更換及污染環(huán)境等缺點(diǎn),因此越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始研究利用風(fēng)能、振動(dòng)能、熱能、化學(xué)能和機(jī)械能等自然能源獲取能量。風(fēng)能因其清潔型、蘊(yùn)量大、分布廣,而受到廣泛關(guān)注,目前常用微型風(fēng)能回收裝置根據(jù)采集電能原理不同,可分為三種:壓電式采集器、電磁式采集器以及靜電式采集器[1～3],其中壓電式采集器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度較高、不發(fā)熱且不會(huì)受到電磁干擾而應(yīng)用最廣。壓電微型風(fēng)能采集是將風(fēng)能變成振動(dòng)能后,再通過(guò)壓電效應(yīng)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。壓電微型風(fēng)能采集器可適用于低功耗設(shè)備,因此可將其運(yùn)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)等微型電子設(shè)備供電。在工業(yè)外場(chǎng)環(huán)境下,可以通過(guò)環(huán)境中的能源轉(zhuǎn)換成電能后,直接為無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)等微型電子設(shè)備供電。微型渦激振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于微型風(fēng)能回收中,但其具有固有頻率過(guò)高,能量回收效率低的缺點(diǎn)[4]。接口電路是微型風(fēng)能回收的重要一環(huán)[5],常用的能量采集電路有經(jīng)典電路、同步電荷提取(synchronous electric charge extraction,SECE)電路[6]、同步開(kāi)關(guān)收獲電感(synchronized switch harvesting inductor,SSHI)電路[7]及雙同步開(kāi)關(guān)收獲(double synchronized switch harvesting,DSSH)電路[8]。

本文在SSHI電路的基礎(chǔ)上提出了一種新型自供能電路,對(duì)其回收功率進(jìn)行了理論分析,并在仿真軟件Multisim中進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,與經(jīng)典電路相比,其回收功率提高了300 %。

1 機(jī)電耦合模型

壓電能量回收裝置中力學(xué)變量和電學(xué)變量的關(guān)系可以通過(guò)機(jī)電耦合模型得到,因此,選用合適的機(jī)電耦合模型有利于計(jì)算力學(xué)與電學(xué)間的關(guān)系。如圖1,微型風(fēng)能回收裝置的機(jī)電耦合模型可選用{質(zhì)量+阻尼+彈簧}模型,該模型具有計(jì)算簡(jiǎn)單、計(jì)算精度較高、所需參數(shù)較少等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 機(jī)電耦合模型

由標(biāo)準(zhǔn)壓電方程可知

式中KPE為壓電片短路等效剛度,α為力因子,C0為夾持電容。

根據(jù)牛頓定律與式(1)可得

式中 等號(hào)左側(cè)為系統(tǒng)的總能量,等號(hào)右側(cè)各項(xiàng)分別為系統(tǒng)的動(dòng)能、阻尼損耗、彈性勢(shì)能、機(jī)電轉(zhuǎn)換所能轉(zhuǎn)換的能量。能量回收的目的即盡可能多地把第4項(xiàng)能量轉(zhuǎn)換到儲(chǔ)能元件上去。

2 理論分析

2.1 經(jīng)典電路

經(jīng)典電路拓?fù)鋱D如圖2(a)所示。

圖2 經(jīng)典電路及其理論波形

t0時(shí)刻,壓電片振動(dòng)到正向位移最大處,壓電片開(kāi)始向負(fù)方向振動(dòng),整流橋由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷,壓電片上的電壓由VDC開(kāi)始減小,當(dāng)VC0減小到-VDC時(shí),整流橋再次導(dǎo)通,壓電片上的電能開(kāi)始轉(zhuǎn)移至負(fù)載處。t0+T/2時(shí)刻,壓電片振動(dòng)至負(fù)向位移最大處,壓電片開(kāi)始往正向振動(dòng),整流橋開(kāi)始關(guān)斷。

假設(shè)壓電片的位移u=Umsin(ωt)。[t0,t0+T/2]整流橋?qū)〞r(shí),VDC恒定不變,因此，流過(guò)電容Cr的電流為0。根據(jù)電荷守恒定律與標(biāo)準(zhǔn)壓電方程可以得到

由VDC可以得到壓電片的輸出功率

新型無(wú)源自供能電路拓?fù)淙鐖D3(a)所示,該電路電壓峰值檢測(cè)及整流部分只需要2個(gè)電容、4個(gè)三極管、4個(gè)二極管及1個(gè)電感,所需器件較少,因此可大幅能量能量損耗。

圖3 無(wú)源自供能電路拓?fù)洹⒉ㄐ渭暗刃щ娐?/p>

當(dāng)壓電片上的電壓等于VDC時(shí),C1上的電壓大于0,由于Q1管的導(dǎo)通條件是VBE小于0,因此Q1處于關(guān)斷狀態(tài),Q3管的狀態(tài)又取決于Q1管,因此Q3管也處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)Q2管上的壓降VCE大于0,因此Q2管也處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)的等效電路拓?fù)鋱D如圖3(c)所示。

t0時(shí)刻,壓電片振動(dòng)到正向位移最大處后,電容C1上的電壓將減小,當(dāng)電容C1上的電壓減小到Q1管的開(kāi)啟電壓時(shí),Q1管導(dǎo)通,隨著Q1管的導(dǎo)通Q3管也將會(huì)導(dǎo)通,壓電片上的夾持電容與電感L發(fā)生諧振,壓電片上的電壓VC0發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

t1時(shí)刻,諧振結(jié)束,電容電壓由VDC翻轉(zhuǎn)為-Vm。此時(shí)的等效電路拓?fù)鋱D如圖3(d)所示。接著壓電片開(kāi)始積累電荷,當(dāng)電容電壓等于-VDC時(shí),整流橋再次導(dǎo)通,壓電片上的能量開(kāi)始轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。

當(dāng)壓電片上電壓等于-VDC時(shí),C1上電壓小于0,而Q4管的導(dǎo)通條件是VBE4大于0,因此Q4管將處于關(guān)斷狀態(tài),從而使Q2也將處于關(guān)斷狀態(tài)。Q3管上壓降VCE3小于0,因此Q3管也將會(huì)處于關(guān)斷狀態(tài)。壓電片振動(dòng)到負(fù)向位移最大處后,電容C1上的電壓將開(kāi)始逐漸增大,當(dāng)VC1增大到Q4管的導(dǎo)通電壓后,Q4管將導(dǎo)通,Q4管一導(dǎo)通,Q2管也將導(dǎo)通。接著,壓電片的夾持電容將與電感L發(fā)生諧振,電壓由-VDC翻轉(zhuǎn)為Vm,壓電片繼續(xù)積累電荷,電壓由Vm增加至VDC。上述就是新型自供能電路一個(gè)周期的分析。

[t0,t1]三極管Q3導(dǎo)通,壓電片流出的電流只流向電感。[t1,t0+T/2]四個(gè)三極管都處于關(guān)斷狀態(tài),整流橋也處于導(dǎo)通狀態(tài),電流流向負(fù)載。根據(jù)電荷守恒定律,我們可以得到

壓電片上流出的電流I可由標(biāo)準(zhǔn)壓電方程得到,式(5)的左邊可化簡(jiǎn)為

(6)

[t0,t1]壓電片上的夾持電容C0與電感L發(fā)生諧振,因此可以得到

(7)

[t1,t0+T/2]時(shí)間段內(nèi),負(fù)載電壓VDC保持恒定不變,因此流過(guò)電容Cr的電流為零。由于電容C0與電感L的諧振周期遠(yuǎn)小于壓電片的振動(dòng)周期,可以將t1約等于t0。因此可以得到

諧振后翻轉(zhuǎn)電壓Vm=γ·VDC(0<γ<1),將式(6)～式(8)代入式(5)可以得到

根據(jù)VDC,可以求出輸出功率

2.3 回收功率比較

由式(4)與式(10)可知:在其他接口電路參數(shù)不變的情況下,接口電路的回收功率只與負(fù)載的大小有關(guān)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到22 m/s時(shí),懸臂梁系統(tǒng)與小木塊后方的漩渦脫落頻率相等,此時(shí)，懸臂梁振動(dòng)幅值達(dá)到最大Um,其值可根據(jù)式(3)計(jì)算得出。設(shè)置接口電路參數(shù)：頻率f為50 Hz,壓電片夾持電容C0為49 nF，力因子為0.9 mN/V，振動(dòng)幅值Um為0.4 mm，電壓翻轉(zhuǎn)系數(shù)γ為0.5。將參數(shù)代入到式(4)和式(10)中后,改變電阻RL的值,可以得到壓電片理論回收功率與負(fù)載的關(guān)系圖。經(jīng)典電路理論回收功率與負(fù)載的關(guān)系如圖4(a)所示。新型無(wú)源自供能接口電路的理論回收功率與負(fù)載的關(guān)系如圖4(b)所示。

圖4 二種電路理論功率

從圖4(a)可以看出,經(jīng)典電路輸出的最大功率在130 μW左右。從圖4(b)可知,新型無(wú)源自供能接口電路輸出的最大功率在520 μW左右,大約是經(jīng)典電路的4倍,但是它的最優(yōu)負(fù)載很大,在400 kΩ左右。因此,在在微型風(fēng)能回收功率上,新型自供能電路的性能遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典電路。

3 仿真結(jié)果

假設(shè)壓電片的位移u=-Umcos(ωt),其中Um為懸臂梁系統(tǒng)固有頻率等于小木塊后方漩渦脫落頻率時(shí)的振動(dòng)位移幅值,由標(biāo)準(zhǔn)壓電方程可以得到壓電片流出的電流

因此,可以用一個(gè)正弦電流源并聯(lián)一個(gè)電容來(lái)代替壓電片。從而得到正弦電流源的幅值Im=ωαUm,因此

經(jīng)典電路與新型無(wú)源自供能接口電路在仿真軟件Multisim中的仿真圖如圖5所示。將表1的參數(shù)代入仿真電路圖中。

圖5 Multisim仿真

最終得到經(jīng)典電路仿真圖與理論分析圖如圖6(a)所示,新型無(wú)源自供能電路仿真圖與理論分析圖如圖6(b)所示,仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果大體上一致。仿真表明,新型無(wú)源自供能電路回收的最大功率在500 μW左右,大約是經(jīng)典電路的4倍,其回收微型風(fēng)能的效率優(yōu)于經(jīng)典電路,但其最優(yōu)負(fù)載大于經(jīng)典電路的最優(yōu)負(fù)載。

圖6 二種電路仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

基于微型風(fēng)能回收收到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在結(jié)構(gòu)方面,渦激振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高而受到了廣泛運(yùn)用。在接口電路方面,由經(jīng)典電路到有同步電荷電路,再到同步開(kāi)關(guān)電感電路,回收功率不斷提高。理論和仿真表明,本文提出的新型自供能電路具有最優(yōu)阻抗較低,無(wú)源控制,回收功率較高等優(yōu)點(diǎn)。