基于并聯(lián)電感同步開關(guān)控制的振動能量回收方法研究

曹軍義，任曉龍，周生喜，曹秉剛

（西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049）

回收周圍環(huán)境振動能量為無線傳感系統(tǒng)提供電能的振動能量回收技術(shù)由于具有廣泛且相對穩(wěn)定的能量來源，成為近年國內(nèi)外前沿技術(shù)的研究熱點［1］。該技術(shù)能夠為這些設(shè)備提供持久的電能而使其免于維護(hù)，同時可有效降低由電源更換所帶來的高額成本［2］。

目前使用標(biāo)準(zhǔn)的全橋整流電路進(jìn)行振動能量回收的效率很低，所得能量十分有限。為此，壓電能量回收電路的SSHI控制技術(shù)［3-6］引起了國外的廣泛關(guān)注和深入研究。但目前研究中使用的SSHI控制方法并未考慮控制電路的自身損耗，且?guī)缀醵际且噪娮铻樨?fù)載進(jìn)行回收效果分析，對該控制方法的適用條件未作深入研究，使該方法的應(yīng)用受到了極大的限制。本文分析了并聯(lián)SSHI控制方法的特點，設(shè)計了由電流電控器、比較器和雙向電子開關(guān)組成的低功耗并聯(lián)SSHI實現(xiàn)電路，以蓄電池為負(fù)載進(jìn)行了振動能量回收效果分析，研究了并聯(lián)SSHI控制方法可顯著提高回收能量的條件。

1 振動能量回收電路

環(huán)境中的振動能量可通過壓電能量回收裝置直接轉(zhuǎn)化為電能。壓電能量回收裝置可以等效為由正弦電流源ip并聯(lián)電容Cp和內(nèi)阻Rp［3，5］組成的電路，如圖 1 所示。Rp一般都非常大，可將其忽略；ip的大小取決于激勵力f的大小。

在開路狀態(tài)下，根據(jù)壓電能量回收裝置的等效電路及壓電方程有：

圖1 振動能量回收裝置等效電路Fig.1 Equivalent circuit model of vibration energy harvesting

式中：f為激勵力，F(xiàn)為激勵力峰值，ω為激勵角頻率，Voc為開路電壓峰值，d33為壓電應(yīng)變常數(shù)，T為應(yīng)力峰值，A為壓電回收裝置極化方向的正對面積，ke為鈸型振子的等效應(yīng)力放大系數(shù)，其中：

由此可得等效電流源峰值為：

上式僅為計算Ip的一種方法，并不意味著Ip由ω、Cp、Voc決定。

為了有效回收、存儲和利用得到的電能，必須將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流，通常采用二極管全橋整流電路。

1.1 全橋整流回收電路

圖2 全橋整流電路及波形Fig.2 Circuit and waveforms of full-bridge recification

全橋整流電路是壓電能量回收的標(biāo)準(zhǔn)回收電路，它是將回收裝置直接連接到二極管全橋進(jìn)行整流，并在其后并聯(lián)電容Cr進(jìn)行濾波［1，3］。為防止存儲在蓄電池的能量反充到電容而消耗，在電池前增加了一低壓降的二極管，如圖2（a）。該電路的Cr一般足夠大，能使其上的電壓基本保持在一個恒定的值Vr。假設(shè)整流橋上二極管的壓降均為VD，當(dāng)回收裝置兩端產(chǎn)生的電壓vp絕對值小于Vr+2VD時，沒有電流流出因而也沒有任何的能量回收；當(dāng)兩端產(chǎn)生的電壓vp逐漸增大且當(dāng)絕對值等于Vr+2VD時，整流橋上一對二極管導(dǎo)通，回收裝置開始有電流流出且兩端電壓的絕對值保持在Vr+2VD［5］，如圖 2（b）所示，其中u表示壓電材料的位移。

假設(shè)vp達(dá)到Vr+2VD時的時間為tr1，此時輸出電流為：

因此在一個周期內(nèi)io可表示為：

由于在vp上升階段，沒有電流輸出，因此有：

即：

由于在 0≤t≤tr1時，有：

對式（8）在［0，tr1］積分有：

可得：

所以：

全橋整流電路正弦半波電流的平均值為：

在每個周期內(nèi)，該電路都會使vp的絕對值在0到Vr+2VD之間產(chǎn)生的能量全部損失掉。而且由于壓電材料存在電容Cp，當(dāng)?shù)刃щ娏髟磇p的電流改變方向時，首先需要抵消內(nèi)部電容Cp上的存在的電壓絕對值為Vr+2VD的極性相反的電荷，而后電壓才能從0開始上升，從而耗費了很大一部分可以回收的能量。

在相同的激勵下，Vr的大小控制著流出回收裝置電量的多少，當(dāng)Vr較低時在一個周期內(nèi)流出回收裝置的電流io的波形會更寬，因而能夠回收更多的電能；當(dāng)Vr較高時，io會變窄因而只能回收較少的電能。

1.2 并聯(lián)SSHI電路與理論分析

假設(shè)vp達(dá)到Vr+2VD時的時間為tr2，LC電路的品質(zhì)因數(shù)為Q，在0≤t≤tr2內(nèi)有：

可得并聯(lián)SSHI控制電路正弦半波電流的平均值為：

相對于全橋整流電路來說，并聯(lián)SSHI電路可將回收得到的能量提高的倍數(shù)為：

2 并聯(lián)SSHI振動能量回收研究

2.1 并聯(lián)SSHI控制電路設(shè)計

圖3 并聯(lián)SSHI回收電路及波形Fig.3 Circuit and waveforms of parallel SSHI

并聯(lián)SSHI控制方法需要捕捉壓電材料產(chǎn)生最大位移的時刻，一般可采用微控制器測量位移u或電壓vp的方法獲得。但是使用位移傳感器需提高回收裝置設(shè)計安裝要求，而且位移傳感器供電和信號的調(diào)理都需要耗費較多的電能；電壓vp是交流信號且電壓值較高，用微控制器采集時，不僅需要將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎倚柽M(jìn)行降壓、濾波處理，復(fù)雜且需要耗能。由于電路在S打開狀態(tài)下，壓電回收裝置與后續(xù)電路也是連通的，無論壓電材料位移達(dá)到最大還是最小，io都是逐漸減小變?yōu)?，因此可以通過測量輸出電流io來確定壓電材料產(chǎn)生最大位移的時刻。由于io是直流且較小，可直接測量。在回收裝置為多個并聯(lián)或串聯(lián)時，此方法受到的干擾較小，不會存在位移和電壓監(jiān)測存在的波形復(fù)雜和檢測困難等問題。

為提高回收效率，回收電路必須具有低功耗特性，采用如圖4所示的電路，選擇TI的MSP430F149作為主控芯片。根據(jù)io的特點，采用電流監(jiān)控與比較器的方式來獲取io變?yōu)?的時刻。當(dāng)輸出電流逐漸減小變?yōu)?時，電流監(jiān)控芯片INA169輸出也將減小變?yōu)?，其輸出與接近于0的參考電壓在比較器LTC1540進(jìn)行比較后，會由高電平變?yōu)榈碗娖剑a(chǎn)生一個下降沿跳變，觸發(fā)控制芯片產(chǎn)生中斷，從而進(jìn)行控制。通常情況下微控制器處于休眠狀態(tài)，電流損耗僅有1.6 μA。電路的雙向開關(guān)由兩個背靠背的MOSFET組成，由IR2101進(jìn)行驅(qū)動。中斷產(chǎn)生后，微控制器首先延時推后脈沖產(chǎn)生的時間，解決由于采用比較方式產(chǎn)生的相位不同步問題。

圖4 并聯(lián)SSHI控制回收電路Fig.4 Control circuit of parallel SSHI

本文對鈸型壓電回收裝置進(jìn)行并聯(lián)SSHI回收分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，圖4所示的回收電路能夠較為理想地實現(xiàn)并聯(lián)SSHI的控制效果，有效提高輸出電流。根據(jù)采集的波形數(shù)據(jù)可得使用并聯(lián)SSHI控制方法后可將回收的能量提高9.8%。

圖5 并聯(lián)SSHI回收控制電路波形Fig.5 Harvesting waveform of parallel SSHI

2.2 實驗研究

由式（16）知，并聯(lián) SSHI控制方法在Vr、Cp較大、頻率f較高、Ip較小時，其輸出能量相對全橋整流電路才有較大提高，而LC電路的品質(zhì)因數(shù)Q變化時對其影響十分微小。為了驗證不同參數(shù)對η的影響，設(shè)計的實驗平臺如圖6所示，采用如下方案進(jìn)行實驗研究：

圖6 并聯(lián)SSHI控制振動能量回收實驗平臺Fig.6 Experimental equipments for parallel SSHI harvesting

（1）由于整流電壓值Vr、電容Cp和LC電路的品質(zhì)因數(shù)Q不影響其它參數(shù)，因此只需讓相應(yīng)參數(shù)單獨變化，測量并聯(lián)SSHI控制電路相對于全橋整流電路提高的能量大小。對于Q，測量電感L變化對η的影響，實驗時不變的參數(shù)值為F=25 N，f=150 Hz，L=20 mH，Vr=4.8 V，Cp=8.36 nF，結(jié)果如圖 7所示。

（2）由式（5）知Ip的變化與激勵角頻率ω，電容Cp和開路電壓峰值Voc的大小有關(guān)，因此分析角頻率ω對η的影響時，保持Cp=8.36 nF和f·Voc=3 200 Hz·V恒定以保證Ip不發(fā)生變化；在分析Ip的影響時，僅讓激勵力峰值F變化，其余恒定參數(shù)為f=150 Hz，L=20 mH，Vr=4.8 V，Cp=8.36 nF 實驗結(jié)果如圖 8所示。

由圖7和圖8可以看出：實驗結(jié)果與理論分析比較吻合，實驗中并聯(lián)SSHI方法最高可將回收的能量提高50%。

圖7 Vr，Cp，L對并聯(lián)SSHI控制效果的影響Fig.7 Effect of Vr，Cp，L on harvestion energy

圖8 ω，F(xiàn)對并聯(lián)SSHI控制效果的影響Fig.8 Effect of ω，F(xiàn) on harvestion energy

3 結(jié)論

本文分析了用于壓電能量回收的并聯(lián)SSHI回收控制電路，設(shè)計了一種基于電流監(jiān)控器、比較器與雙向電子開關(guān)的低功耗并聯(lián)SSHI回收控制電路，并對其進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明該電路能夠有效提高回收得到的能量。最后對影響并聯(lián)SSHI控制方法的參數(shù)進(jìn)行了理論分析和實驗驗證，結(jié)果表明該方法在整流電壓值較高、振子電容較大、激勵頻率較高、激勵力較小時能夠更有效地提高回收效率。在實際使用SSHI控制電路時，為了獲得最佳的能量輸出，需要衡量并聯(lián)SSHI控制方法提高的能量與控制電路自身損耗能量之間的大小關(guān)系，以此來判斷是否采用該控制方法。

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