压电能量收集系统的设计与能量采集外文翻译资料

 2022-10-27 15:21:14

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压电能量收集系统的设计与能量采集

樊康旗，徐春辉，王卫东

天津大学和斯普林格出版社柏林海德堡2014年版

假设在同一个相位的情况下，完成一个压电能量收集系统的研究,包括压电能量收集器(PEH)、桥式整流、滤波器、一个开关、一个控制器和一个可充电电池。短暂的充电过程中,研究结果表明,通过滤波电容器的电压随着充电的进行而增加,这与文献报道是一致。然而,一项新的研究发现表明,充电速度和能量采集效率随着各自达到高峰值后随着时间的推移而减少。在一个稳态充电的研究中,结果表明,能量采集效率可以通过改变关键的充电电压来调整控制系统的进度。最优最优效率的瞬时充电可以提高能量采集效率。最后,这个临界电压和控制器和可充电电池的等效电阻之间的关系是被明确地建立了。

关键词：能量采集;机械振动,压电能量采集器;充电率;能量采集效率

在过去的几年里低功耗的元件和相关的机械设备已经吸引了许多人的的兴趣，[1-3]相关的设计通常是运用在电池在能量强度无法满足设备电力需求的情况下。此外，电池如果需要定期更换或充电，这可是一个昂贵和繁琐的工作。为了解决这一缺陷，大多数人一直致力于从周围环境中获取能量[5-8]，这种能量传感器称为微型能量采集器或微功率发电机[9,10]。有几种不同的能源,例如：太阳能、热梯度（温度变化的速度与方向）和机械振动能。其中，机械振动是无处不在的，因此它引起了人们广泛的关注。机械振动能通过静电的[11]、电磁的[12]、压电转导[8,9,13,14]的电源是可以转化为电能的。由振动压电元件的(PEH)采集的电能是一种交流电(AC)的形式,而低功耗设备通常需要一个稳定的直流电(DC)供应。因此，这个接口电路通常是要求能够实现交-直流转换,从而确保和低功耗设备之间的电流兼容性。而这个标准接口电路则只涉及到一个桥式整流电路[15]绝大多数的研究是在致力于优化这个接口电路。特别是,Lefeuvre[16,17]等提出了一种同步开关能量采集采集技术(SSHI),这大大增加了(PEH)的输出功率。实现同步开关能量采集采集技术(SSHI)的一些辅助设备,例如：位移传感器等通常是非常必要的。然而，这些辅助设备的功耗比采集到的能量更大[18]。大多数低功率设备采用低占空比的设计[19]，它的电能存储设备通常是必不可少的。使存储设备的充电能够最大化是设计低功耗设备的关键[19,20]。完整的充电一般包括瞬态和稳态充电两个过程。Shu Y C和Lien I C[21,22]研究压电能量采集器（PEH）系统在稳态充电操作的过程中的效率和输出功率,其使用滤波电容器来稳定电压的电池。Wu W J[19]等人研究在假设压电能量采集器（PEH）振动振幅保持不变的情况下的充电电容的瞬态行为的标准接口电路。Wickenheiser A M[20]等人研究了压电耦合在能量储存通过压电能量收集系统的影响,其中包括研究压电能量采集器（PEH）、一个标准的接口电路和电容器。 Fan K Q[8]等人审查的压电能量采集系统中的动态特性即向前和向后的情况下的压电耦合的系数彼此不同。

他的论文研究的完整充电能量采集系统。同相的假设下，分别地分析模型关于充电率、能量采集效率和电气阻尼系数推导。重新分析比较模型之间的结果，数值模拟和实验观察表明：分析模型可以预测完成充电过程。

  1. 能量收集系统的模型

1.1控制方程式

能量采集系统包括压电能量采集器（PEH）、桥式整流、滤波电容器、开关、一个控制器和一个可充电电池、如图1所示：

图1 能量收集系统的原理图

在瞬时充电时,振动压电悬臂梁的交流电能采集(i.e，PEH)首先经过桥式整流器转换成直流电能,然后存储在滤波电容器。当电压滤波电容器(充电电压)到达临界值时，由控制器和可充电电池的开关关闭,系统转移到稳态充电。然后通过电池和滤波电容器作为能源储层获取的平滑直流电压的电能。此外,通常是在开关与电池之间放置一个控制器用来控制开关和调节输出电压。

压电能量采集器（PEH）通常是由两个压电层和金属垫片、三层压电悬臂梁,如图2所示。

图2 PEH的示意图

这三层压电悬臂梁通常设计为横向模式(3 - 1模式)，这是一般情况下的弯曲变形。压迫质量快使压电悬臂梁的自由端造成振动,应用机械应力T1沿着轴-1产生的压电层,导致电动位移D3沿轴-3 。与此同时,应用电场E3沿轴-3 影响轴-1的机械应变S1 。通常,存储电路子系统连接压电能量采集器（PEH）收集能量,如图1所示。这个系统的机电行为可以被描述如下[8,23]：

(1)

(2)

M,eta;和K,分别是有效质量、PEH的机械阻尼系数和刚度；z是梁尖端的位移；Vp是通过压电层的电压(压电电压)；F(t)是外部激励来自基地的机械振动力;Cp是压电层的电容(固有电容)；I是当前流入接口电路的电流；Theta;1和Theta;2的有效压电系数,分别代表力因素和当前的因素。

根据先前的研究,选择Theta;1等于Theta;2；而对另一些人来说，Theta;1不同于Theta;2。例如：这个分布参数模型显示Theta;1和Theta;2只有在单模机械振动被认为是相同的；否则，Theta;1和Theta;2是不相等的。因此,本文提供的控制方程可以被视为一个Theta;1等于Theta;2的通用模型。

1.2假设同相

同相假设假设在此阶段压电悬臂梁的激发力F(t)与振动速度ż(t)的关系，准确地说，它是描述如下：

(3)

(4)

在z是压电悬臂梁的振动振幅；F和omega;为的应用激发力的大小和角频。

使用同步假设,Eq的耦合项Theta;2ż。(2)可以建模为一个电流源Ip,等。

(5)

1.3瞬时充电

在瞬时充电过程中，开关处于，并且其组成部分包括压电能量采集器（PEH）,桥式整流和滤波电容器等，如图3所示：

图3 瞬时充电的等效电路图

充电电压不断增加，而PEH所收集的振动所产生的压电电压则是不变的。在第i个半周期定义为ipi;le;omega;tle;(i 1)pi;,压电电压Vp(t)比充电电压从ipi;到Xi的Vc(t)更小,因此整流桥被阻塞,如图4所示：

图4 瞬态充电的第i个半周

在chi;i阶段,Vp(t)的大小达到Vc(t)之后，然后是整流桥开始运行，Vp(t)和Vc(t)由于连续梁的弯曲开始同时增加。在第i个半周结束时,整流桥被再次阻塞，挠度和生成的压电电压开始下降。因此,这种电路所需条件如下:

(6)

在每个周期的一半，充电电压可以描述为：

(7)

滤波电容器中存储的采集平均功率在第i个半周是：

(8)

根据机电组件之间的能量平衡,光束偏转可以确定为：

(9)

A和B分别给出为：

在瞬时充电期间，采集的能量随时间而改变，每半周期,能量收获效率可以被定义为电能的比例W c,我在滤波电容器存储输入机械能W f等如下：

(10)

能量Eq(10)采集效率随着充电的进行变化。最优能量采集效率可以通过Eq决定。(10)。即使压电能量采集器（PEH）结构已经固定,能量的采集效率可以由不同的关键充电电压V c控制系,将在第二章进一步讨论。

Williams 和Yates两人认为机械能到电能的转换是类似于一个传统的质量弹簧系统线性阻尼器。此外，Shu 和 Lien两人提出一个压电能量收集系统的总阻尼比可以分解,可以重新定义能量采集效率

(11)

是机械阻尼比；是电气阻尼比（通提取压电振动系统的机械能的转换）。因此,从方程式(10)和(11)。电气阻尼系数 可以表达为：

(12)

同样,电气阻尼系数随着充电的进行而变化。

1.4 稳态充电

当充电电压增加到控制器和电池的临界值时，开关处于关闭状态，则系统进入稳态充电状态，如图5所示:

图5 稳态充电等效电路图

这时滤波电容器用来稳定电池的电压。注意，控制器和电池通常是被一个设计分析的等效电阻，如果关键的充电电压Vc基本上保持不变，则Cc是足够大的并且时间常数R是比PEH的振动周期更长。此外，流入滤波电容器的净电流在这个过程中是零。因此，整个过程是能量守恒的。在半周期会导致关键的充电电压Vc和振动振幅z之间的关系为：

(13)

使用假设同步,在方程式（13）里的振动振幅z可以获得一个机电组件之间的能量平衡。

(14)

然后,用方程式(13)和(14)采集率对振动振幅z，得出以下表达式：

(15)

从这个方程式(13)和(15)中可以得出，关键的充电电压Vc可以与等效电阻R之间的关系为：

(16)

它是十分清楚的可以看出这个关键的充电电压Vc可以通过调节等效电阻R的大小而改变。自从能量采集瞬时充电的效率随充电电压如方程式（10）所示。它也可以通过调节等效电阻来改变。

稳态的充电,作固有电容和滤波电容器的能量在每个半周期增加为零，重要的充电电压Vc基本上保持不变。结果,采集到的能量转移到R,然后能量采集效率为：

(17)

从方程式（11）和（17）可得，在稳态充电状态下这个电气阻尼系数为：

(18)

方程式（17）和（18）的结果表明能源收获效率e和电气阻尼系数e可以通过调节优化等效电阻R来改变。然而,不同的R可以导致预设的变化关键充电电压V C。然而,不同的R可以导致预设的关键充电电压Vc变化。事实上,在关键的充电电压是固定的,能量收获效率和电气阻尼比在稳态充电将保持不变,这将在下一节中进一步讨论。

  1. 结果与讨论

我们现在这压电能量收集系统在完成充电的充电行为。他认为PEH原型是由两层表PSI-5A4E陶瓷的铜垫片中心。列出了结构参数选项卡Tab.1.最初,固有电容滤波电容器完全放电,充电过程被激活在1.4秒后外部正弦激励振幅为8.7 m·N和频率392 rad / s(开路的频率)。

Tab.1 能量收集系统的结构参数

Vc随时间t的变化如图6所示:

瞬时充电期间,Vc随着充电的进行增加。验证本文里提出的分析模型，方程(6)代入方程式(1)和(2)模拟充电行为图1所示。显然,预测分析模型与数值模拟结果的是相同的。这个实验过程由Wickenheiser等使用相同结构参数等观察到的结果。可以看出,充电电压的预测分析模型获得的结果也在合理的实验结果范围内。偏差可能是由于二极管的损耗和传导损失而导致的,从而导致忽略了当前的分析结果。在实际应用中,在某个关键的充电电压开关可能会关闭，稳态滤波电容器充电时系统将在关键的充电电压水平,如图6(b)所示：

正如预期所料,充电电压保持不变,所生成的电流通过电流控制器流入电池，如图1所示。PEH振动振幅z 随时间t的变化如图7所示。

图7 PEH振动振幅z与t时间t的关系变化图

在最初的时候,桥式整流器处于被阻塞状态,PEH振动处在开路状态。然后开始启动充电,可以观察到PEH振动振幅z在迅速下降。随着充电的进行,收获能量Pi和电气阻尼系数在不断地减少,分别如图8和9所示。

图8 采集能量与时间t的变化关系图

因此，我们可以得出以下一个结果，e随着充电的进行在不断地增加。这一趋势被Wickenheiser等还透露,他认为当能量收集系统开路条件改变时，此系统处于短路状态。系统的固有频率的改变。造成PEH振动振幅快速下降。在这篇文章中,他认为即使在6 s以后电气阻尼减少也可以振动振幅e显著增大，如图9所示：

图9电气阻尼系数与时间t的关系变化图

类似的变化趋势可以进一步证明了能量收获效率随时间t的变化关系,如图10所示：

图10 能量采集效率ef与时间t的变化关系图

总之,相对应的最大充电率是最大的电气阻尼系数以及最优能量采集效率,瞬时充电点表明能量收集系统具有最优操作。

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