[发明专利]多相EAP系统以及用于控制该系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及多相EAP系统。并且，本发明也涉及用于控制该EAP系统的方法。

背景技术

目前，基于EAP(电活性聚合物)的驱动器和发电机(即，基于EAP的能量变换器)是通过被动收集系统或通过主动系统进行操作的，其中，在被动收集系统中，用作可变电容器的基于EAP的可变形体的自身形变推动能量流，而主动系统直接控制电场、电压或电荷。由于后面的方法通常生成更高的转换效率和更高的能量密度，因而对于特别是大型的系统或对效率敏感(由电池供电的)的应用来说是优选的方式。

如WO 2010/146457中公开了主动系统的一个例子。

在激励期间建立和控制电场的方式决定了能量转换的量。这通过能量收集循环来描述，目前在系统中主要使用三个不同的循环来主动对EAP进行充电和放电：恒-电荷、恒-电压和恒-场循环(国际斯坦福研究学会)。这些循环的焦点集中在伸展或收缩(或松弛)期间电力电子单元(PEU)与EAP设备的交互方式上。在这些周期中，发生大部分机电转换。

尽管电活性材料因其具有的操作较大的机械形变(高达500％)的能力而为公众所知，不过在许多的实际应用中，这种形变是受限制的，这不仅是由于应用(诸如波的激励)的性质的原因，也是出于限制疲劳的影响的目的。

因为机电换能是在与电场交互的基础上进行的，在微形变水平的应用中，所需的以操作电场循环偏置EAP设备的能量远大于转换实际所获的能量。这增加了电力电子单元所需的额定功率，对机电换能效率提出了挑战，且增加了基于EAP的能量变换系统的成本和体积。

在具有分布式源的机电换能应用中，诸如波能量变换器(如在WO2010011562中所公开的)或旋转往复式能量变换器(如在WO2013059562中所公开的)中，一基本相移存在于这些应用内的不同EAP设备之间，可以在不同的EAP设备之间内部交换所需的偏置能量。在这样的多相系统中，有效地使用了EAP设备的存储能量的固有能力，提供了与功率容量需求、变换器效率约束以及功率质量有关的特有优势。

诸如在PCT/EP2013/059614中描述的基于单相EAP的能量变换系统，具有专用电力电子单元(PEU)或用于每个EAP设备的变换器。这提供了应用到每个EAP设备的收集循环的全控能力，但是由于偏置能量需要由PEU循环地应用，因而需要承受高均的额定功率，这转而导致了较高的变换器成本、以及对PEU效率具有非常强的敏感度的较低的机电换能效率，由此需要实现技术上得到改进的变换器。

为了限制高峰均额定功率的影响，现有的单相系统中的一些已经采用了某种试图使能量变换循环最优化的收集策略，诸如：

由Graf和Maas所公开的“Optimized Energy Harvesting based on Electro Active Polymers”,2010 International Conference on Sol id Dielectrics,Potsdam,Germany,July 4-9,2010；

由Graf、Maas和Schapeler所公开的“Optimized Energy Harvesting based on Electro Active Polymers”,2010 International Conference on Sol id Dielectrics,Potsdam,Germany,July 4-9,2010；以及

由R.van Kessel,B.Czech、P.Bauer和J.Ferreira所公开的“Optimizing the dielectric elastomer energy harvest ing cycles,”IECON 2010,36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society 2010,第1281页至第1286页，(http://dx.doi.org/10.1109/IECON.2010.5675554)。

然而，这些策略仅关注于EAP到PEU的变换阶段，而不是关注整个系统的输出功率质量，也没有完全克服单相能量变换和相关的高峰均额定功率的固有缺陷。