[发明专利]一种自适应主动压电能量采集装置

说明书

技术领域

本发明涉及压电能量采集，即关于将环境振动能量转换为电能的技术领 域，特别是一种自适应主动压电能量采集装置。

背景技术

近年来，随着微机电系统、无线传感器网络和嵌入式系统制备技术的不断 提高，传统的化学电池已不能满足人们的需求，人们开始了将周围环境中能量 转换为电能的研究。它能有效解决由于使用电池带来的污染、能耗和维护等问 题，大大降低成本，改善人们的生活环境。

压电能量采集装置具有结构简单、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构 上的微小化、集成化等优点，被广泛关注。目前，压电能量采集装置的研究主 要集中在压电元件的构成形式和系统接口电路两方面。改善压电元件构成形式 主要包括改变压电材料属性，改变压电元件工作模式，利用多层化来增加压元 件有效容积，改变压电振子的结构形式以及调节系统的谐振频率等方法。系统 接口电路有3种工作方式：

被动技术，系统接口电路普遍由一个桥式整流器和充电电容组成，其结构 简单，易于实现，但能量采集功率低。

半主动技术，主要包括同步电荷采集技术和电感同步开关采集技术。它能 快速实现压电元件电极翻转，提高能量采集功率，与被动技术相比，最大输出 功率能提高4倍。

主动技术，采用传感器等设备，主动调节系统谐振频率，具有良好的控制 效果，但系统功耗较大，系统复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应主动压电能量采集装置，用以解决传统技 术在非谐振频率时，能量采集功率低的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种自适应主动压电能量采集装置， 由主电路与其控制单元构成，主电路包括用于将外部激振力的振动能量转换为 电能的压电元件，压电元件通过电感(L1)输出连接一个由二极管构成的全桥 整流单元，该全桥整流单元的直流侧通过一个DC/DC单元输出连接一个能量存 储单元，全桥整流单元与DC/DC单元之间还设有一个充电电容(C1)，所述全桥 整流单元的每个二极管上均并联有一个开关管(Q1-Q4)，所述DC/DC单元为 Buck电路，该Buck电路中的开关管(Q5)接在所述充电电容(C1)的正极端； 全桥整流单元的交流侧设有电流采集器，Buck电路的输出端设有功率采集器， 主电路中还设有一个用于采集外部激振力频率的加速度传感器；所述控制单元 输入采样连接所述加速度传感器的输出信号、所述功率采集器的功率信号、所 述电流采集器的电流信号；所述控制单元输出控制连接所述全桥整流单元各二 极管的并联开关管(Q1-Q4)、所述Buck电路的开关管(Q5)的控制端。

所述控制单元包括MCU，MCU产生最优电压相位信号，该最优电压相位 信号、所述加速度传感器的输出信号以及所述电流采集器的输出信号作为输入 连接到一个驱动信号产生电路，该驱动信号产生电路输出触发信号控制所述全 桥整流单元各二极管的并联开关管(Q1-Q4)。

所述驱动信号产生电路通过输入所述加速度传感器的输出信号与所述 MCU输出的最优控制电压相位信号，输出与振动频率对应的全桥整流单元的各 开关管(Q1-Q4)的控制触发信号。MCU产生最优电压幅值信号，该最优电压 幅值信号输出到所述Buck电路的开关管(Q5)的控制端。所述驱动信号产生 电路还包括用于避免上下桥臂同时开通的死区生成单元。

所述MCU采用MSP430F169微处理器。所述电流采集器为一个电流检测单 元，该电流检测单元通过检测串设在全桥整流单元交流侧的采样电阻 (Rsense1)的两端电压差检测电流。所述功率采集器为一个电流采集单元， 该电流采集单元通过检测串设在DC/DC单元输出端的采样电阻(Rsense2)的 两端电压差采集电流和/或功率。所述全桥整流单元各二极管的并联开关管 (Q1-Q4)、所述Buck电路的开关管(Q5)均为MOSFET。所述能量存储单元 包括一个恒压充电器，该恒压充电器输出连接电池组。

当周围环境振动时，悬臂梁两表面的压电元件把振动能转换为电能，压电 能量采集装置的等效电学模型如图3所示。假设外界激振力为正弦，则机械部 分的阻抗可表示为：