孫凱利 王海峰 郭修宇 崔宜梁 李蒙

摘要：雖然同步電感能量提取技術(shù)（SSHI）能夠顯著提高壓電能量采集裝置的采集效率，但需要額外的位移傳感器對壓電片的動作狀態(tài)進(jìn)行檢測，在壓電片發(fā)生復(fù)雜形變時(shí)此方法不適用。為了提升俘能電路在非線性激勵(lì)下的工作效率，本文基于小旗式壓電風(fēng)能采集裝置，設(shè)計(jì)了一種新型自供電、自感知式同步電感能量采集接口電路，該電路可以根據(jù)壓電片輸出的電壓判斷壓電片的形變量，實(shí)現(xiàn)同步電感開關(guān)的自動控制。同時(shí)，利用Multisim電路仿真軟件，對標(biāo)準(zhǔn)接口電路及新型接口電路進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，新型接口電路能夠有效提高俘能電路在非線性激勵(lì)下的能量俘獲效率，與傳統(tǒng)俘能電路相比，新型俘能電路可以使輸出功率提升30%。該研究為非線性俘能電路的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)致壓電發(fā)電; 同步電感提取技術(shù); 接口電路

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（microelectromechanical system，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，各種微型傳感器與執(zhí)行器不斷涌出，它們對供能的要求越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的供電電池壽命短、易對環(huán)境造成污染，無法滿足其需求，而壓電能量收集技術(shù)，直接從環(huán)境振動中獲取能量，對環(huán)境無污染、壽命長、易于與微型傳感器等集成到一起?；陲L(fēng)致振動原理構(gòu)成的風(fēng)能收集裝置，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為壓電裝置振動的機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為電能，功率密度大、體積小，適合為微小型傳感系統(tǒng)供電[1-2]。經(jīng)典的能量采集電路（standard energy harvesting，SEH）由二極管整流橋與濾波電容組成，結(jié)構(gòu)簡單，無需外加控制電路，但電路本身能量轉(zhuǎn)化效率低，受負(fù)載影響較大[3];D.Guyomar等人[4]提出了同步電荷提取技術(shù)（synchronous charge extraction circuit，SCEC）接口電路，該電路能有效提高能量收集裝置的輸出功率，且輸出功率不隨負(fù)載的變化改變;M.Lallart等人[5]提出了并聯(lián)同步電感接口電路（parallelsynchronized switch harvesting on inductor，ParallelSSHI），進(jìn)一步提升了能量收集裝置的輸出功率;G.W.Taylor等人[6-7]提出了串聯(lián)同步電感接口電路（seriessynchronized switch harvesting on inductor，SeriesSSHI），輸出功率隨負(fù)載變化，比并聯(lián)同步電感接口小，但其最優(yōu)匹配阻抗比后者小兩個(gè)數(shù)量級;朱莉婭等人[8-12]改進(jìn)了上述電路，引進(jìn)無源峰值檢測技術(shù)，減少了開關(guān)控制電路的能耗。上述研究均在標(biāo)準(zhǔn)正弦激勵(lì)下進(jìn)行，并未給出在不規(guī)則波形下的峰值檢測方法。因此，本文基于風(fēng)致振動壓電發(fā)電時(shí)壓電片復(fù)雜的形變方式，以并聯(lián)同步電感提取技術(shù)為例，設(shè)計(jì)了一種自感知、自供電式的接口電路，并通過Multisim電路仿真軟件進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的電路可以提升壓電俘能器在非線性激勵(lì)下的俘能效率，使原應(yīng)用于線性激勵(lì)下的俘能電路可以在非線性激勵(lì)條件下進(jìn)行良好工作。該研究對非線性俘能電路設(shè)計(jì)提出了新的思路。

1 風(fēng)致壓電能量采集裝置及壓電電路等效模型

流體經(jīng)過鈍體后會產(chǎn)生渦街現(xiàn)象，渦街推動壓電片往復(fù)擺動產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生電能。風(fēng)致振動壓電片要求壓電材料柔性好，撓度大，可隨風(fēng)擺動發(fā)生變形，且不易折斷，固選用聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電材料。該能量采集裝置的壓電片由三部分組成，分別為能量采集單元、控制信號發(fā)生單元及控制電路能量供給單元。三部分并行粘結(jié)在一起，分別引出獨(dú)立的電極。因三部分壓電片受到激勵(lì)時(shí)形變相同，因此可以通過電壓波形判斷壓電片的位姿，新型小旗型壓電能量采集裝置如圖1所示。壓電片的等效電路可以由一正弦電流源及等效電容并聯(lián)表示，壓電片等效原理圖如圖2所示，圖2中，I為等效電流源電流，Cr為等效電容，R為壓電片內(nèi)阻，一般為幾十兆歐，甚至上百兆歐。

2 接口電路原理分析

經(jīng)典接口電路由整流橋與濾波電容組成，經(jīng)典能量收集接口示意圖如圖3所示，為保證整流后電壓為直流信號，應(yīng)選擇濾波電容滿足RLCL遠(yuǎn)大于電路電壓信號的振蕩周期。

并聯(lián)同步電感能量接口電路在經(jīng)典電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)可控開關(guān)與電感[13-16]?？煽亻_關(guān)S在壓電片電壓U達(dá)到峰值時(shí)閉合，使壓電片等效電容Cr與電感L形成LC振蕩回路，并使壓電片輸出電壓在極短時(shí)間內(nèi)快速翻轉(zhuǎn)，之后開關(guān)S斷開，以達(dá)到修繕波形的目的，修繕后的波形為U1。

PSSHI能量采集接口[17-20]如圖4所示，采用同步電感提取技術(shù)進(jìn)行修繕，PSSHI修繕后的壓電片輸出波形如圖5所示。基于風(fēng)致壓電能量收集裝置的電路由三部分組成，即能量收集電路，控制信號發(fā)生電路，能量供給電路。電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)，LC振蕩周期遠(yuǎn)小于壓電片輸出電壓的周期，為防止在壓電片輸出電壓的半個(gè)周期內(nèi)電壓多次反轉(zhuǎn)，能量收集電路的控制開關(guān)由2個(gè)金氧半場效晶體管（metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor，MOS）及2個(gè)二極管構(gòu)成，以達(dá)到雙向單通的目的，這樣在半個(gè)電壓輸出周期內(nèi)，電壓只能反轉(zhuǎn)1次。

從全局看，風(fēng)致壓電能量收集裝置輸出波形近似于正弦波，只在局部有細(xì)小波動。同步電感的開關(guān)控制應(yīng)以全局條件下的峰值作為判斷依據(jù)，若以局部峰值為基準(zhǔn)，開關(guān)通斷過于頻繁，會消耗過多的能量，因此在電路仿真時(shí)，可以用全局等效正弦波代替原電壓信號。控制信號發(fā)生電路由施密特觸發(fā)器與反相器組成，由施密特觸發(fā)器的遲滯觸發(fā)作用可知，當(dāng)電壓信號V達(dá)到施密特觸發(fā)器閾值電壓的正向閾值電壓V+時(shí)，其發(fā)出高電平信號，MOS管1導(dǎo)通;當(dāng)電壓信號達(dá)到施密特觸發(fā)器負(fù)向閾值電壓V-時(shí)，發(fā)出低電平信號，經(jīng)反相器反轉(zhuǎn)后，輸出高電平，使MOS管2導(dǎo)通。

能量供給電路由二極管整流橋與濾波電容Cr1組成，為施密特觸發(fā)器等有源器件提供所需能量。自感知和自供電式PSSHI電路示意圖如圖6所示。

3 仿真分析

實(shí)驗(yàn)所選俘能為PVDF，壓電片長為170 mm，寬為5 mm，厚度為0.5 mm，等效電容為11 nF，等效電阻為200 MΩ，PVDF材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

在鈍體直徑為10 mm時(shí)，該壓電片在風(fēng)速從0.1～10 m/s變化時(shí)產(chǎn)生的開路峰值電壓從幾伏增大到十幾伏，此次電路仿真選取的開路輸出電壓為15 V，頻率為5 Hz。在開路狀態(tài)下的新型能量提取電路，其壓電片輸出電壓隨時(shí)間變化曲線如圖7所示;對于標(biāo)準(zhǔn)電路與新型能量提取電路，其輸出電壓隨負(fù)載變化曲線如圖8所示，輸出功率隨負(fù)載變化曲線如圖9所示。

由圖7～圖9可已看出，采用PSSHI電路后，壓電能量采集裝置的輸出電壓比經(jīng)典接口電路高1倍左右，最大輸出功率提高30%，但最優(yōu)匹配阻抗有所增加。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)俘能電路只能應(yīng)用于線性激勵(lì)作用下的俘能器，對非線性電能的俘能效果較低，本文基于風(fēng)致壓電能量收集裝置，提出了一種自感知、自供電式的并聯(lián)同步電感提取電路控制策略，對非標(biāo)準(zhǔn)簡諧信號也有較高的能量收集功率。該控制策略以壓電片輸出電壓全局下的峰值作為檢測對象，控制同步電感開關(guān)的通斷，與經(jīng)典接口相比，負(fù)載上的電壓提升約1倍，最大輸出功率提升30%，有效提升了非線性能量收集器的俘能效率。另外，電路中的元器件多為無源器件，能夠最大程度減少俘能電路本身的損耗，這種利用壓電片自身輸出電壓作為檢測信號的俘能電路設(shè)計(jì)，為非線性能量收集電路設(shè)計(jì)提供了新的思路。

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