一种压电能量收集装置设计

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LinearLTC3588~1压电能量收集电源方案

Lin ear LTC3588-1压电能量收集电源方案关键字：电源管理，能量收集器，DC/DC转换器Linear公司的LTC3588-1是压电能量收集电源，集成了低噪音全波整流和高效降压转换器，组成完整的能量收集解决方案，最适合高输岀阻抗的能量源如压电传感器•输入电压2.7V-20V,输岀电流高达100mA,可选输出电压1.8V, 2.5V, 3.3V和3.6V,可用于压电能量收集，电-机械能量收集无线HVAC传感器，轮胎压里传感器，遥控光开关，毫微瓦降压稳压器.本文介绍LTC3588-1主要特性，方框图以及多种应用电路图，包括100mA压电能量收集电源电路图，最小尺寸的1.8V低压输入压电能量收集电源电路图，电场能量和热电能量收集器电路图等.LTC3588-1: Piezoelectric Energy Harvesting Power SupplyThe LTC.3588-1 integrates a low-loss full-wave bridge rectifier with a high efficiency buck converter to form a complete energy harvesting solution optimized for high output impedance energy sources such as piezoelectric transducers. An ultralow quiescent current undervoltage lockout (UVLO) mode with a wide hysteresis window allows charge to accumulate on an input capacitor until the buck converter can effi ciently transfer a portion of the stored charge to the output. In regulation, the LTC3588-1 enters a sleep state in which both input and output quiescent currents are minimal. The buck converter turns on and off as needed to maintain regulation.Four output voltages, 1.8V, 2.5V, 3.3V and 3.6V, are pin selectable with up to 100mA of continuous output current; however, the output capacitor may be sized to service a higher output current burst. An input protective shunt set at 20V enables greater energy storage for a given amount of input capacitance.LTC3588-1主要特性：950nA Input Quiescent Current (Output in Regulation - No Load)450nA Input Quiescent Current in UVLO2.7V to 20V Input Operating RangeIntegrated Low-Loss Full-Wave Bridge RectifierUp to 100mA of Output CurrentSelectable Output Voltages of 1.8V, 2.5V, 3.3V, 3.6VHigh Efficiency Integrated Hysteretic Buck DC/DCInput Protective Shunt - Up to 25mA Pull- Down at VIN > 20V Wide Input Undervoltage Lockout (UVLO) RangeAvailable in 10-Lead MSE and 3mm x3mm DFN Packages LTC3588-1 应用:Piezoelectric Energy HarvestingElectro-Mechanical Energy HarvestingWireless HVAC SensorsMobile Asset TrackingTire Pressure SensorsBattery Replacement for Industrial SensorsRemote Light SwitchesStandalone Nanopower Buck Regulator6恤10, 血IIHErUIAl FUILE 31 01 M)L} "T —6V图2.LTC3588-1 100mA 压电能量收集电源电路图图1.LTC3588-1方框图 100mA Piezoelectric Energy Harvesting Power Su 叩ly ACVAWCEO CERAMETPICS PFC-WU BUCK ：CCNrROLCSIORAGE25Y rIQpH---- -------------------- 畑 TI 丄＜砒 _H 刖nMi■ ] OUTPUT - ~ VOLTAGESELECTPGOOi?PGOODGWFRFJGR0ALD&APREFERENCE PZ1 PZ2v,Nsw n«&se -i如CAPPGOOO VlPiz00. Q1GRID工图 3.LTC3588-1 3.3V 压电能量收集电源电路图：给带无线发送器的微处理器和50mA 瞬态负载供电.图5.采用单个压电晶体和自动加电次序的双电源电路图PZ1VinmPGOODCAPLTG35W-1 鬧畑hiv tMHU ID9GMDCO^EENhMICROPROCESSORL.・ OpF I --------------------- ' 丄斗卉4 uS图4.最小尺寸的1.8V 低压输入压电能量收集电源电路图眺JO £*STLUSPZ2PZI PGODDDO10pF25V pdOO 序一1—MF "Rev rLTCJsea-iCAP SW图8.电场能量收集器电路图图6•带备份电池的压电能量收集器电路图图7.AC 火线供电的3.6V 降压稳压器，大输出电容支持重负载円㈣：”DANGER HIGH VOLTAGE 1150k信 DkI------------- z\l20VAC创用 1 5Qk 15CH<-T-弭9VBAHEHVPILZO SVSTEMS T22O-W-5WXtR05H40C&?7^rtFPANELS ARE PLACED G bFROM ?' x4' FLUORfSCEM LIGHT FiZTUFtESCCPPfR PAF1ELCOPPER 朋毗LP22V|kjPGOODITC358 &>1CftpSW V|H2VtMJT口DOGHCIF'A QOCP71 P7? V.|PGOODLTC3&B0-13Wv12 VOUTtnGMDPGOOD±±GU二询s图10.热电能量收集器电路图图9.5-16V 太阳能供电的2.5V 电源,其超大电容增加输出能量存储和备份电池10012I Pfi-1 THERMAL |鉅碰RATOR fflie 1-1,0-127-157I llfLLJflEKi丁阳 •ipf ■仙mi -w>5V TO 16VSOLAR PAN5LSVRAnERY[R06H4X5FTRM ： HE255 S' PER TAPACiTOR TAW ：RF1-'00300-^237—^— i OpfPGO QDP12WinPG&ODLTC358 时CAPBVJ恤0001 GND—團 - |'"4.7|jF 工PZ1PZ2 wPG-OTDLTG35S8-1CAPSW 畑VOUT ：DOD1GNDPGOOO。

基于喷嘴-共振腔系统的压电能量收集

基于喷嘴-共振腔系统的压电能量收集邹华杰;王泽平;宋建【摘要】针对气流激振压电能量收集的机械激励问题,提出了一种基于喷嘴-共振腔系统的激振方法.应用CFD方法对压力流场进行分析;同时,结合压电效应,对输出电压进行仿真预测.结果表明,在入口压力为8KPa时,能产生峰-峰值33.6KPa以及频率1515Hz的振荡压力;压电片的振动位移峰-峰值为0.045mm,且其输出电压峰-峰值在40V左右.该方法能将环境气流转化为作用于压电材料上的周期性脉动压力载荷进而实现电能输出,从而验证了该压电能量收集方法的可行性.对于丰富压电能量收集在微功耗电子系统自供电的应用,具有重要价值和工程指导意义.【期刊名称】《科技视界》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】3页(P31-33)【关键词】自供电;压电能量收集;气流激振;喷嘴-共振腔系统【作者】邹华杰;王泽平;宋建【作者单位】常州机电职业技术学院,江苏常州 213164;常州机电职业技术学院,江苏常州 213164;江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂,江苏徐州 221005【正文语种】中文【中图分类】TM619;TN929.5;TP212.90 引言近年来，环境能量收集受到了国内外研究者的广泛关注，它能够源源不断地将环境中各种形式的能量转化为电能，具有体积小、寿命长、能量密度高等显著优点，在无线传感网络、自供电系统等方面具有潜在的应用前景。

如何将环境气流动能转化为作用于压电材料上的周期性脉动压力载荷，实现机械激励，是一个关键技术问题。

国内外很多学者对这种基于气流激振的压电能量获取装置的原理模型和实验进行了研究。

Allen and Smits将压电薄膜放置在卡门涡街的后面获得来自流体运动的能量[1]。

Li Shuguang等研究了通过仿生压电叶子结构利用绕流中尾流的脉动压力载荷来获取风能[2]。

R Hernandez,S Jung和K I Matveev研究了利用气流通过开孔挡板后引起空腔内声振荡的装置，并用压电换能器实现了声能到电能的转换[3]。

基于压电材料的振动能量采集技术研究与设计

基于压电材料的振动能量采集技术研究与设计振动能量采集是一种能够将环境中的振动能量转化为电能的技术。

基于压电材料的振动能量采集技术，作为一种非常有效的能量收集方式，在能源领域和无线传感器网络中得到了广泛的研究和应用。

压电材料是一类能够产生电荷变化的晶体材料，在外加力或振动的作用下显示出压电效应。

常用的压电材料包括铅酸锌、二硼酸钠等。

基于压电材料的振动能量采集技术的原理是将振动能量转化为机械能，然后通过压电材料的压电效应将机械能转化为电能。

在振动能量采集技术中，压电材料起到了至关重要的角色。

它们能够将外界的振动能量转化为电能，从而为无线传感器网络等设备提供能源。

举例来说，压电材料可以被应用于道路上的车辆行驶时产生的振动能量的采集，以供照明设备运行。

此外，基于压电材料的振动能量采集技术还可以应用于人体健康监测、环境监测以及智能结构中的能量供给等领域。

在设计基于压电材料的振动能量采集技术时，需要考虑以下几个关键因素。

首先，合适的振动源选择是设计成功的关键。

振动能量采集的效率受到振动源特性的影响，因此选择适合特定应用场景的振动源非常重要。

例如，在交通道路上，车辆的振动源可以被采用，而在建筑结构中，风吹位移或地震等振动源也可以用于能量采集。

其次，需要选择合适的压电材料。

不同的压电材料具有不同的性能和优缺点，因此在设计中需要根据实际需求选择适合的压电材料。

一些性能指标需要考虑的包括材料的压电系数、机械耐久性、温度特性等。

接下来，需要设计合理的能量转换和集成电路电路。

将机械能转化为电能需要设计合适的能量采集电路。

此外，考虑到能量转换的效率和稳定性，集成电路的设计也至关重要。

在进行基于压电材料的振动能量采集技术研究时，还需要解决以下几个挑战。

首先，振动能量的低频特性限制了能量转换效率。

传统的振动能量采集技术在低频范围内往往效果不佳，因此需要开展更深入的研究来提高低频振动能量的转换效率。

其次，振动能量的变化和不稳定性可能导致能量采集系统的失效。

基于压电能量采集器的事件驱动监测装置

电子与通信技术信息技术与信息化
料。自由端的质量块叫作发电振子，振动可能够通过发电振子耦合进来。
图 2 悬臂梁结构示意图当外界振动传来时，发电振子能够很好地感知并开始上下振动，使悬臂梁弯曲受到切向的拉力或压力，以使上下表面聚集电荷 [7]。只有当外加振动激励频率等于采集器本身的固有频率时，输出功率与效率才会达到最大值。但环境中的有效振动频率大多在 100 Hz 之内，与采集器的固有频率有很大的出入。并且该结构采集器的工作频带狭小，导致难以适应多样的环境。加上环境中振动的随机性，采集效率会进一步降低。为了提高振动能量采集的效率，使之能够得到更广泛的应用，因此对悬臂梁结构的宽频带低频化的研究就十分有必要。我们采用由中科院上海微电子研究所设计的一种上变频非接触式二级振动耦合结构 [6-8] 的压电能量采集器。 2.2 上变频非接触式二级压电能量采集器的结构与原理上变频非接触式二级压电能量采集器（见图 3）通过两种谐振频率不同的振子的相互作用来提高发电性能。一级振子的谐振频率较低，与环境中的振动更加贴合，用来感应环境中的低频振动，在吸收了振动能量后再通过磁的相互作用力将能量传递给谐振频率更高的二级振子。二级振子在较高频率下的自由振动可以实现较大功率的发电输出。为减少能量从一级振子传递到二级振子时可能发生的碰撞、摩擦等能量损耗，采集器采取非接触式的耦合方式。
之后我们又在实际环境中进行了测试。将报警装置安置在门上，用力持续敲打门，经过一段时间的充电蜂鸣器会进行尖锐报警。随着击打力量的增大，报警器的充电时长就越短。
5 结语
本研究在分析上变频非接触式二级压电能量采集器器件结构及原理的基础上设计了一款应用于门铃报警的报警装置，通过仿真与实验测试证明在外界激励信号为 4 g, 振动频率在 42 Hz 的条件下，采集器电容充电，管理电路实现了双阈值滞回的功能，其中高阈值约为 3.64 V，低阈值约为 1.78 V。充电时间约为 13.8 s，放电时长即蜂鸣器报警时长为 300 ms，管理电路功耗低，平均小于 1 μW, 储能电容到报警器之间能量利用效率达到了 93.3%。此报警装置能够在门受到一定破坏性撞击持续一定时间时报警，且不需要任何外部电源供电。该装置的设计也为接下来能量采集器用于物联网报警系统提供了一定的基础。

压电振动能量收集器仿真-COMSOL实验报告1

压电振动能量收集器仿真-COMSOL实验报告1实验：压电振动能量收集器仿真⼀．实验⽬的1.利⽤COMSOL仿真压电振动能量收集器，观察电势分布以及应⼒分布；2.通过频率分析得出共振频率，并分析在此频率附近的负载电阻、加速度变化导致的装置能量、动量、储能变化。

⼆．实验原理微型发电机组和⽆线发电系统的发展引起了⼈们对低功率电⼦技术的极⼤兴趣。

通常，这些设备⽤于为传感器和⽆线通信系统供电，从⽽使独⽴的“⽆线传感器”能够廉价部署。

通常，⽆线传感器在较长的时间内间歇性地进⾏测量，通过⽆线链路向其他传感器报告，并最终向基站报告，该基站记录所有部署传感器的读数（创建“⽆线传感器⽹络”）。

这个模型分析了⼀个简单的“地震”能量采集器，它被设计成从发⽣的局部加速度变化中产⽣电能。

例如，当⽆线传感器安装在振动机械上时。

该模型分析的能量采集器由压电双晶⽚组成，压电双晶⽚⼀端固定在振动机械上，另⼀端安装有验证质量。

下图显⽰了设备的⼏何结构。

动⼒收割机由⼀个压电双晶⽚组成，压电双晶⽚⼀端夹紧，另⼀端安装验证质量。

双晶⽚内嵌⼊⼀个接地电极（与梁的中性⾯⼀致），悬臂梁的外表⾯上有两个电极。

这种结构确保了外部电极上感应到相同的电压，即使中性层上下的应⼒符号相反。

由于夹具安装在⼀个振动机械上，所以在振动参考系中对装置进⾏分析（在COMSOL中，通过施加正弦体载荷进⾏建模）。

三．实验主要步骤或操作要点1.选择模型因为压电振动能量收集器可以看作在⼀个平⾯上，所以选择⼆维模型。

绘制模型：利⽤简单的⼏何模型、画线、倒⾓、取并集操作绘制⼆维平⾯图形。

2.参数、材料、电场仿真设置2.1设置全局参数2.2材料选择这⾥选择了两种材料：1. Lead Zirconate Titanate (PZT-5A)。

2. Structural steel2.3场条件设置本实验选择了固体⼒学中的压电场，还有⼀外界电路：2.3.1固体⼒学设置在材料阻尼⽅⾯，进⾏了线弹性材料的阻尼设置以及压电材料的机械阻尼设置：添加了体载荷设置以及固定约束：2.32静电场设置进⾏了零电荷的边界选择以及初始电势为0的域选择：电荷守恒的域选择：最后为了与外电路相连接，设置了电路的接地与终端：2.3.3电路设置添加了负载电阻以及设置了终端：2.3.4⽹格设置考虑到计算机的运算时间以及⽹格的密度，选择⾃由三⾓形⽹格：四．实验数据1.频域研究：扫描范围为62到80Hz，⽆辅助扫描。

基于压电效应的微型振动能量收集装置

基于压电效应的微型振动能量收集装置第一章：引言随着科技的发展，越来越多的智能设备被广泛应用，如智能手表、智能手机等。

然而，这些设备的电池寿命短，需要不断充电，给用户带来不便。

因此，如何收集环境能量，以实现智能设备的各种功能，已成为世界各地众多科技研究人员共同关注的问题。

其中，基于压电效应的微型振动能量收集装置，成为了一种可能可行的解决方案。

第二章：基础理论2.1 压电效应压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到压力或扭转作用时会产生电势差，即将机械能转换为电能的现象。

其原理是由晶体或陶瓷材料的结构所决定的，当其晶格受到外力变形时，电子密度发生变化，产生电荷分布不均，从而形成电场，导致电荷在电极间流动，从而产生电流。

2.2 微型振动能量收集装置微型振动能量收集装置是一种利用环境震动或振动能量，通过压电材料的压电效应进行能量转换，并对其进行储存和管理的设备。

其基本原理是通过振动能量的引导装置将环境能量传递给压电材料，产生微弱的电流和电压，经过放大、整流等处理后，储存在超级电容器、储能电池等储能设备中，实现对电力资源的有效收集和管理。

其优势在于无需外界电能，节约了能源和环保。

第三章：设计与实现3.1 设计思路基于压电效应的微型振动能量收集装置，主要由引导装置、压电材料、整流电路、超级电容器和储能电池等组成。

其工作原理是将环境能量转化为电能，存储在储能设备中，以供智能设备使用。

为了提高能量转换效率和收集稳定性，需要合理选择压电材料、设计合理的引导装置，并遵循合适的工艺流程，保证各个部分之间的良好匹配。

3.2 实现方案通过选用高灵敏度的压电陶瓷材料，设计出形状符合工具模型的引导装置，经过调节工艺参数来实现压电材料与引导装置的高效匹配。

整流电路可选用高效整流芯片和互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。

超级电容器采用低ESR（Equivalent Series Resistance）电容，可实现高效充放电。

储能电池采用危化品安全批准的环保型电池，避免了污染和安全隐患。

从人体行走中收集能量的鞋上压电俘能器

ＦＡＮＫａｎｇ — ｑｉ，ＬＩＵＺｈａｏ — ｈｕｉ，ＷＡＮＧＬｉａｎ— ｓｏｎｇ，ＹＵＢｏ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｏ — ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）
中通过拟合实验数据获得加速度信号表达式；然后，建立仿真模型，对俘能器的发电性能进行了仿真分析。最后，加工了
实验样机，并实验测试了俘能器的发电性能。结果表明，当受到沿胫骨方向的激励时，压电梁在一个步态周期内可被弹簧一质量系统激励多次从而产生多个峰值电压；受到沿胫骨和脚面两个方向激励时，压电梁的发电性能比只受到单一方向激励时好。当步行速度为２～８ｋｍ／ｈ时，每根压电梁的峰值电压可达到１ＯＶ。该俘能器能够从人体行走的超低频运动中收集能量，并能够同时收集两个方向的加速度能量，提高了压电梁的发电性能。
＊Ｃ０ｒｒｅ０ｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：忌ｑ咒＠ｍａｉｌ．ｘｉｄｉａｎ。ｅｄｕ．Ａｓｈｏｅ — ｍｏｕｎｔｅｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙｆｒｏｍｈｕｍａｎｗａｌｋｉｎｇ．Ｔｈｉｓｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｃｏｍｐｒｉｓｅｓｏｆｆｏｕｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｓｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈａｓｐｒｉｎｇ — ｍａｓｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｐｒｉｎｇ — ｑｕａｌｉｔｙｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｓｅｎｓｅｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｅｘｃｉｔａｔｉｏｎａｌｏｎｇａｒａｄｉａｌｂｏｎｅｓｈａｆｔａｎｄｇｅｎｅｒａｔｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇｄｒｉｖｉｎｇａｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｆｉｔｔｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．Ａｎｄｔｈｅｎ，ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓａｌｓｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｎｄｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｆｏｕｒｂｅａｍｓｃｏｕｌｄｂｅｔｒｉｇｇｅｒｅｄｓｅｖｅｒａｌｔｉｍｅｓｂｙｔｈｅｓｐｒｉｎｇ — ｍａｓｓｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｉｎｏｎｅｓｔｅｐｗｈｅｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｉｓｅｘｃｉｔｅｄｂｙｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅｔｉｂｉａｌａｘｉｓ，ａｎｄｓｅｖｅｒａｌｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｂｅａｍｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｐｕｔｓｃｏｕｌｄｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｐｏｗｅｒ —

一种六维压电振动能量收集器[发明专利]

专利名称：一种六维压电振动能量收集器专利类型：发明专利
发明人：袁刚,王代华
申请号：CN201611247753.8
申请日：20161229
公开号：CN107317510A
公开日：
20171103
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种六维压电振动能量收集器，包括基座、多根柔性梁、多根支腿组件和设置在基座上方的惯性质量件，多根柔性梁呈圆周阵列分布，支腿组件与柔性梁一一对应；柔性梁的根部固定连接在基座上以形成悬臂梁结构，柔性梁的自由端与支腿组件的一端固定连接，支腿组件的另一端与惯性质量件固定连接，支腿组件和与其相连的柔性梁之间具有一个夹角；支腿组件包括刚性连杆和两个分别设置在刚性连杆两端的球面副柔性铰链；柔性梁的上表面和/或下表面粘贴有能量转换元件。

本发明提升了振动能量的收集效率，并且该六维压电振动能量收集器能够实现多方向、复合线振动以及角振动激励情况下振动能量的收集。

申请人：重庆大学
地址：400030 重庆市沙坪坝区沙正街174号
国籍：CN
代理机构：重庆华科专利事务所
代理人：康海燕
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④本文选取的充电芯片具有输入电压源限流模式，该模式可以顺利实现断续充电，这也是本文能量收集技术的最大优点。
2能量收集电路设计
压电元件产生的电荷是瞬间和交替的，是以不规则的随机突发形式提供能量，而且在电能提取过程中具有阻尼效应，即:当振动能传递到压电材料时，由于压电效应而转化为电能，在材料内部产生交流电压，而当材料内部电阻太大(相当于断路)或电阻太小(相当于短路)时，产生的电能未消，会再次转化为振动能。反复这种过程，振动衰减会持续一段时间。所积聚起来的电荷阻碍电荷的进一步生成。因此必须先在一个超级电容器积累足够的能量，然后通过转换电路将能量储存于电池中[[4 }
一种压电能量收集装置的设计
研究现状：
压电能量收集模式将压电材料铺设于道路路而结构中，利用压电效应将道路上交通荷载产生的部分机械能转化为电能，继而将产生的电能收集、处理、利用。自从1880年代居里兄弟发现压电效应至今，经过100多年的研究积淀，针对压电材料性能及应用研究己日趋成熟。由于其优良的能量转换能力，压电能量收集系统受到了全球科研机构及企业的普遍关注。
分析及讨论
选取三洋公司生产的三洋18650型可充电锉离子电池作为能量储存端，在经过大量试验的基础上，选取其中一组整流后直流电压6V、直流电流lOmA的能量收集充电数据，来进一步分析说明该压电振动能量收集技术。图8为开关系统未打开前超级电容充电过程，图9为开关系统打开后，超级电容对充电芯片的供电过程，即断续充电过程。
[2]王强，骆英，顾建祖.基于压电材料的振动能量获取技术的研究[J].电子元件与材料，2008 ( 3);46一50
[3]王宁.基于压电悬臂结构的能量采集研究巨I习.南京:南京航空航天大学，2010; 22-23.
本文采用上海如韵公司出产的C N 3063作为主控芯片对锉电池进行充电，C N 3063可以直接从外部获取4. 35} 6V电压，它内置温度控制回路及再充电电压检测。它的运行无需微处理器控制，并且可将一节锉电池恒流充电达500 mA o CN3063包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，C H RG充电状态指示端和DONE充电结束指示输出端，当输入电压大于低电压检测I=}7值和电池端电压时，CN 3063开始对电池充电，C H RG管脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端(F B)的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻RISET.确定。内部的8位模拟一数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，特别的CN 3063所具备的输入电压源限流模式，非常适合电流输出能力有限的电压源供电的锉电池充电应用。
对于断续充电系统，充电时间的确定存在着很大的波动性和不确定性，在本文试验中，通过调整直流电源，将给予在个别情况下对充电过程的推断时间。表2列举了其中的一些试验数据。具体在应用过程中的充电时间数据还需要进一步测量.在这里必须再次说明一下本文能量收集技术的应用环境，所谓能量收集技术并不存在稳定电压源或者稳定电流源，仅仅是根据外界环境条件的变化来尽可能多地收集到可被利用的能量，所以，对于充电完成时间的确定，并不是一个恒定不变的固定值。本文试验中假设了很多种不同条件，可以明确地得出一个结论，充电时间的长短与能量输入源的大小成正比例关系，又由于断续充电的特点，所以可以肯定的一点是本文设计的能量收集器能够顺利完成充电过程，但在不能提供稳定能量输入的前提下，充电时间长短具备不确定性.对于断续充电开关系统的设计是保证断续充电的一个重要的必要条件，本文试验中证实了开关系统的正常工作，配合上充电芯片C N 3063本身的限流模式，实现了断续充电，这对于今后开发能量收集器，提高能量收集器效率都会有很强的参考价值。
2008年以色列的Innowattech公司与海法理工学院共同研发了应用于道路工程的压电能量收集系统(Innowattech Piezo Electric Venerator，IPEV)。图1,2分别为IPEV的概念模型和现场试验照片。采用该能量收集系统，交通量为600 }eh " h 1的一条双车道道路上能产生0. 4 MW " km以上的电量，可支持400 ^} 600户家庭的日常用电;且随着交通量、车载的增加，收集的电能也随之增加;IPEV的使用不会增加车辆单位油耗;其使用寿命约为30年。然而，该技术尚处于对外保密阶段，不能给中国研究者提供直接参考。
1振动能量收集原理
压电片有将振动能转化成电能的能力，根据其压电藕合系数的不同，在不同频率、不同振动加速度等条件下产生的电压值就不同。另外，影响压电片产生电能大小的两个重要因素就是配重和极化方向，压电片必须要有压力作用，使其内部变形才能产生自由电荷输出，形成电流，所以，必要的配重必不可少。配重的大小，也关系到产生自由电荷的多少，即产生电能的大小(本文试验中在不加配重情况下最大电压只能达到2v左右，而在外加配重情况下可达love;极化方向也是不能忽视的，压电元件材料具有将机械能转化为电能的性能，当压电元件受外力作用时，其极化强度随之而变，导致表面吸附的自由电荷随之变化。此时采用特定的电荷收集技术可使之形成电流[m，并且在所加外力方向必须和极化方向一致才可得到最佳效果。
Lee等口6〕研究了路而动态荷载作用下基于压电效应的能量转化影响因素及其之间的关系;Ye等o;〕提出了一种基于遗传算法的压电换能器自动优化方法，通过该方法设计的换能器可以根据实时路而振动数据自动调节内部频率以收集更多的能量;曹秉刚等mo研发了一种利用公路系统振动能量压电发电的方法和系统;林伟等口月设计了一种应用于沥青混凝土路而的堆叠式压电自发电能量采集与照明装置;Zhao等基于有限元对应用于沥青路而进行能量收集的钱式压电能量收集器参数进行了分析优化，在20 Hz, 0. 7 MPa交通荷载的作用下，按照其设计的钱式换能器，计算机模拟单个钱式压电能量收集器可产出功率为1.2mW的电能;Ky-missis在麻省理工学院将压电晶体置于鞋内，研究出一种发电鞋。测定发现压电晶体产生的峰值电能为80mW ; Rastega等开发了一种可应用于多种平台的针对低频振动的能量收集装置;Orr等研究出一种基于压电效应能量收集的智能地板。
在试验中，从压电片得到的交流电经全波整流后的直流电压可达lOV左右，可是因所得电流太小，不足以直接启动后续的充电芯片，必须先将电能储存在超级电容CS上，当CS电压达到C N 3063的充电控制端输入电压要求时电路开始工作。能量收集技术基本设计电路，如图所示。
电能收集器设计电路：
总结与展望
由压电片的压电效应，分析了振动能量收集的原理，通过压电片将振动的机械能转化成电能储存在超级电容中，利用开关系统控制超级电容为后续电路供电，最终实现了断续充电，极大地提高了充电效率。同时采用C N 3063设计能量收集电路，将振动能量转换并储存于锉离子电池中，并进行大量试验，测算出充电时间。
1. 2模型系统功能
①能够利用振动对锉离子电池进行充电。利用压电转换产生一定电流，并利用这个电流对电池进行充电。这样只要有振动，就可以随时充电。
②开关系统可以很好地控制后续电路的通断，有效地提高了能量收集效率，为实现断续充电提供必要条件。
③能够自动控制充电的电量。本文采用充电芯片控制充电量，最大限度保护了电池的寿命。
1. 1试验模型
本文采用振动台产生一定频率、一定振动加速度的振动，在振动仪上固定一个压电片，并在压电片极化方向上放外加配重，将压电片正负两极引线接至整流电路，后接超级电容，连接开关电路至充电芯片，最后连接充电锉离子电池，即可完成此能量收集技术试验。图1为压电振动能量收集技术流程图。
综上所述，本文基于压电片的振动能量收集技术可以实现对周围环境的振动能量收集，并能实现断续充电。
本文研究的基于振动的能量收集技术的一大特点就是实现了断续充电，对于一些复杂工作环境和微小振动能量的收集具有极大的现实意义。在提高能量收集效率的同时，扩展了振动能量收集的适用范围，必将更广泛地应用于大型机械的设备状态监测与故障诊断中。
参考文献：
[1]Paradiso J A, Starner T. Energy scavenging for mo-bile and wireless elec;tronic;s [J]. Pervasive Compu-ting, 2005, 4(1):18一27.