寧玉懷,魯五一

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410075）

一種新型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源設(shè)計(jì)

寧玉懷,魯五一

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410075）

通過(guò)對(duì)壓電陶瓷的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)理和電能存儲(chǔ)特性的研究,設(shè)計(jì)一種壓電發(fā)電裝置和相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)電路為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。針對(duì)常規(guī)整流電路輸入電流存在死區(qū)、呈尖頂波的特點(diǎn),利用非線性阻抗元件的導(dǎo)通、關(guān)斷及儲(chǔ)能的特性,采用交疊泵升的電路連結(jié)形式,設(shè)計(jì)一種非線性阻抗變換整流電路,有效地克服和縮小了輸入電流的死區(qū)范圍。

壓電裝置;整流電路;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);非線性阻抗變換

隨著集成電路和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,低成本、小尺寸、低功耗的電路與傳感器的研發(fā)取得了巨大進(jìn)步,使大型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成為可能,利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)鐵路貨車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)和安全監(jiān)測(cè)是一種極具發(fā)展前途的新方法。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分就是能量供給系統(tǒng),而像貨運(yùn)列車(chē)車(chē)廂頻繁解編組,不能靠有線方式供電。傳統(tǒng)的化學(xué)能電池還是作為主要的能量供應(yīng)裝置,由于電池尺寸大、壽命有限和更換成本高等缺點(diǎn),在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受到了限制。將環(huán)境振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿恼駝?dòng)式發(fā)電機(jī)可以部分克服上述缺點(diǎn),逐步成為微能源研究的一個(gè)熱點(diǎn)。[1]

基于壓電材料的自供電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)電磁干擾,能量密度大,壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。英、美、荷蘭等國(guó)相繼開(kāi)始了相關(guān)研究,而國(guó)內(nèi)則起步較晚。本文根據(jù)正壓電效應(yīng)原理,利用車(chē)體在行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)能驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電裝置,提出一種壓電自供能裝置的設(shè)計(jì)方案。

1 壓電電源的設(shè)計(jì)

1.1 壓電轉(zhuǎn)換收集振動(dòng)能原理

壓電晶體在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng),如圖1所示。

圖1 正壓電效應(yīng)示意圖

根據(jù)壓電學(xué)理論,當(dāng)壓電晶體自由端受外力作用而產(chǎn)生彎曲變形時(shí),其表面便有電荷生成。在一定的外力F作用下壓電晶體所產(chǎn)生的電荷及開(kāi)路電壓分別為：

在（1）、（2）式中,d31為壓電電荷常數(shù);g31為壓電電壓常數(shù);l、W、t分別為壓電晶體的長(zhǎng)度、寬度和總厚度。[2]壓電材料等效為一個(gè)電容,其儲(chǔ)能的公式是：

在（3）、（4）式中：εr為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù)。壓電材料產(chǎn)生的能量主要與以下參數(shù)有關(guān)：壓電材料的壓電常數(shù),即d31,介電常數(shù)εr,作用應(yīng)力的大小F和應(yīng)力施加的區(qū)域。從以上理論推導(dǎo)可以得知壓電晶體的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)等是影響其發(fā)電量的重要因素;對(duì)壓電晶體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高發(fā)電量的重要途徑。主要方法有：1）選用較大機(jī)電耦合系數(shù)的壓電材料;2）減小壓電材料的介電常數(shù);3）加強(qiáng)外部激勵(lì)或增加作用區(qū)域面積。[3]

1.2 電學(xué)等效模型

當(dāng)壓電陶瓷在壓力作用下,上下表面將產(chǎn)生電荷,壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電容,電容在兩極產(chǎn)生電荷后就儲(chǔ)存了一定的能量,如圖2所示。

圖2 壓電元件電學(xué)等效模型

從電學(xué)角度來(lái)看,壓電元件可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正弦電流源,與內(nèi)在的極間電容Cp的并聯(lián),假設(shè)電流源和電極電容Cp恒定,負(fù)載R可調(diào)。由戴維南等效定理,該電路中阻抗為：[4]

式中Ip為電流源有效值,當(dāng)R=1/ωCp時(shí),即外接負(fù)載電阻和壓電元件等效阻抗相匹配時(shí),負(fù)載吸收的能量最大。在設(shè)計(jì)整流和存儲(chǔ)電路時(shí)要考慮負(fù)載和壓電元件等效電阻,使壓電振子的輸出功率達(dá)到最大化。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓電電源設(shè)計(jì)

通過(guò)以上對(duì)壓電原理和等效電學(xué)模型的分析,選擇合適的壓電材料制作成壓電懸臂梁,如圖3所示。當(dāng)懸臂梁受到振動(dòng)時(shí),自由端的質(zhì)量塊在振動(dòng)加速度作用下產(chǎn)生動(dòng)荷載,該作用力使懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變,從而在上、下兩個(gè)端面上形成電勢(shì)差。該電壓通過(guò)兩邊的金屬電極導(dǎo)出,最終可以在電流表檢測(cè)裝置中得到穩(wěn)定的電流輸出,經(jīng)整流和功率調(diào)理后可為超級(jí)電容進(jìn)行充電。

圖3 壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)圖

為了解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能源供給問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于壓電發(fā)電的新型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源,結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。壓電懸臂梁將機(jī)車(chē)的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為交流電,經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ闹绷?給超級(jí)電容進(jìn)行充電。超級(jí)電容的儲(chǔ)存電荷能力是普通電容的幾十倍。列車(chē)在行駛時(shí)振動(dòng)能是時(shí)刻存在的,從而可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電源的永久免維護(hù)。

圖4 電源結(jié)構(gòu)框圖

2 整流電路的改進(jìn)

2.1 整流調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能需要進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)存以對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。因此,電路的轉(zhuǎn)換效率及儲(chǔ)存能力會(huì)直接影響其輸出電量大小。傳統(tǒng)的橋式整流電路轉(zhuǎn)換效率較低,輸入電流存在死區(qū)。存儲(chǔ)器件電壓是影響壓電換能器能量存儲(chǔ)效率的一個(gè)重要因素。當(dāng)超級(jí)電容的電壓大于壓電元件產(chǎn)生的電壓時(shí),根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ?壓電元件將不能為負(fù)載提供電流。圖5為傳統(tǒng)的橋式整流電路。

圖5 傳統(tǒng)的橋式整流電路

可利用非線性阻抗元件的導(dǎo)通、關(guān)斷及儲(chǔ)能的特性,采用交疊泵升的電路連結(jié)形式,設(shè)計(jì)一種非線性阻抗變換整流電路。該電路可隨電壓的變化自動(dòng)改變非線性阻抗值,也即改變電流的延續(xù)時(shí)間及變化規(guī)律。利用這一特性,應(yīng)用到整流電路,就可以有效地抑制死區(qū),改善電流的變化規(guī)律,延長(zhǎng)電流流向超級(jí)電容的時(shí)間,提高電路的轉(zhuǎn)換效率。圖6為非線性整流電路的構(gòu)成圖。

圖6 非線性整流電路

2.2 非線性整流工作方式分析

當(dāng)壓電元件電壓Up為正半周時(shí),電容CI為串聯(lián)充電達(dá)到電源電壓Up。如電源電壓幅值為Um,每個(gè)電容CI將充電至Um/2。而在電源的負(fù)半周時(shí)Ca已充電,電壓為Um/2,此時(shí)因?yàn)閁a的存在,使Up+Ua＞Ud,二極管D1和D3導(dǎo)通,電流流向充電電容Cd。在電流流動(dòng)過(guò)程中,電容Ca放電,使電容電壓Ua減少。當(dāng)電源電壓Up比直流電壓Ud高的期間內(nèi),動(dòng)作同常規(guī)整流電路。而當(dāng)壓電元件Up為負(fù)半周時(shí),電容Ca為串聯(lián)充電,反復(fù)以上過(guò)程。在Up+Ua＜Ud期間,交流側(cè)不向直流側(cè)供電,期間僅由電容器Cd放電,使直流電壓減少來(lái)滿(mǎn)足負(fù)載。[5]

2.3 傳統(tǒng)橋式整流和非線性整流仿真比較

在電路仿真軟件PSPICE下分別建立橋式整流電路和非線性整流電路的仿真電路圖,當(dāng)超級(jí)電容電壓到達(dá)5v時(shí),流向超級(jí)電容的充電電流波形圖如圖7、圖8所示,縱坐標(biāo)為仿真電流幅值,橫坐標(biāo)為充電時(shí)間T。

圖7 橋式整流電流流向超級(jí)電容時(shí)間

圖8 非線性整流電流流向超級(jí)電容時(shí)間

從上述仿真圖可以看出,采用非線性整流電路后,通過(guò)改變整流環(huán)節(jié)的阻抗值,使輸入電流在電源電壓極性變化的前后也能產(chǎn)生,從而拓寬了電流的流通時(shí)間,有效地消除了電流的死區(qū),提高了電路的轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)壓電陶瓷的自供電關(guān)鍵技術(shù)分析,可看出：影響其輸出電量的因素有壓電振子的材料及幾何參數(shù)、外界振動(dòng)條件、轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存電路效率等;橋式整流電路轉(zhuǎn)換效率較低,采用非線性整流技術(shù)能夠提高電能的轉(zhuǎn)化效率。利用壓電材料為超級(jí)電容充電的儲(chǔ)能方法將在振動(dòng)能的收集儲(chǔ)存上帶來(lái)新的商業(yè)前景,同時(shí)也為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身供電系統(tǒng)的研究提供了一個(gè)新途徑。

[1]BEEBY SP,TUDORM J,WHITEN M.Energy harvesting vibrationmicrosystems applications[J].Measurement Science and Technology,2006,（17）：175-195.

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[3]王強(qiáng),駱英,顧建祖.基于壓電材料的振動(dòng)能量獲取技術(shù)的研究[J].電子元件與材料.2008,27（3）：48-50.

[4]Ottman G K,Hofmann H F,LesieutreG A.Optimized piezoelectric energy circuit using step-down converter in discontinuous conduction mode[J].IEEE Trans Power E-lectron,2003,18（2）：696-703.

[5]盧秀和,王炎,孫慎言.高效整流電路控制方式分析[J].通訊電源技術(shù).2004,21（1）：10-13.

[編校：劉敏]

Design for a New Type of W ireless Sensor Networks Power Supp ly

NING Yuhuai,LUWuyi
（College of Information Scienceand Engineering,Central South University,Changsha Hunan 410075）

A piezoelectric power-generation device and the corresponding circuit for energy transformation and storagewere designed and fabric-cated forWSNs power supply through the study on the mechano-electric energy transformation of the piezoelec-tric ceramics and their electricity storage characteristic.According to the characteristicsof deadarea,top wave in the com-mon rectifier circuit, utilizing the coupling circuit form of connection and fold based on the trait of turning on,shutting off and storing up the energy on nonlinear impedance component,the circuit can alter nonlinear impedance following the variety of voltage,and consequently the range of dead areaof input currentwillbe hurd led and reduced efficiently.

piezoelectricity device;rectifier circuit;wireless sensor networks;nonlinear impedancet ransformation

TP212

A

1671-9654（2010）02-047-03

2010-04-30

寧玉懷（1984-）,男,湖南邵陽(yáng)人,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄軠y(cè)控、電源技術(shù)。

魯五一（1957-）,男,湖南長(zhǎng)沙人,教授,研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化、交通信息與控制技術(shù)。