压电能源采集器综述课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2011/11/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主要内容,波浪能的转换形式,有关压电振动子的介绍,基于压电能采集的需要而衍生的电路设计,主要内容,1,一 波浪能的转换形式分类,传统上：,波浪能 机械能 电能,这里面机械能的形式是多种多样的，包括：利用波浪能的上下沉浮和摇摆而产生的机械能；利用波浪的爬升将波浪能转化为水的势能,特点：将多种形式的机械能最终都是转化为驱动电动机转动的机械能形式，以达到发电的效果。,一 波浪能的转换形式分类传统上：波浪能,2,波浪能的转化形式分类,目前我们组采用的发电原理是基于压电效应而发电。,压电效应,：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。,波浪能的转化形式分类目前我们组采用的发电原理是基于压电效应而,3,二 压电振动子方面的介绍,压电振子,：各种应用环境不同，我们使用压电材料时总是把压电材料制成各种不同形,状，在这些不同形状的压电材料表面涂上电极，就成为压电振子。,压电振动子方面的介绍分为以下两个部分：,（,1,）压电振动子的材料选择：由压电系数的大小和制作的难易程度来选择。,（,2,）压电振动子的形状选择：形状关系到力学性能，比如说压电片的使用寿命等。,二 压电振动子方面的介绍压电振子：各种应用环境不同，我们使用,4,（,1,）压电材料的选择,压电系数：压电系数是压电体把机械能转变成电能或把电能转变成机械能的转变系数，反应压电材料弹性性能与介电性能之间的耦合关系。,常用的压电材料：压电材料包含单晶体，多晶体，晶态聚合物和非晶态聚合物，目前大多使用陶瓷材料，常用的有：,PVDF,ZnO,PZT,等。,（1）压电材料的选择压电系数：压电系数是压电体把机械能转变成,5,PVDF,:,聚偏氟乙烯,是一种聚合物，外观为半透明或白色粉体或颗粒，因其压电系数较低而很少应用。,ZnO,：俗称锌白，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。虽然压电系数不大，但是可制作性非常好。,PZT,：压电陶瓷,(,锆钛酸铅,),，压电系数高出上面两种化合物两个数量级以上，因此是最常用的块状振动能量转化子。,PVDF:聚偏氟乙烯,是一种聚合物，外观为半透明或白色粉体或,6,压电振动子的振动模式,压电振子的振动模式是指压电振子用来完成机械能与电能之间相互转化的振动方式。,在设计压电振子时要选择合适的压电振子振动模式。压电振子的极化方向与电场方向平行时，产生,伸缩振动，,压电振子的极化方向与电场方向垂直时，产生,切变振动,。,压电振动子的振动模式压电振子的振动模式是指压电振子用来完成机,7,压电能源采集器综述课件,8,悬臂压电梁电采集的参数分析,固有频率,：臂型压电能量采集器处于固有频率状态下，振动幅度会达到最大值，发,电量也会达到最大。（重要参数）,介温谱,：压电陶瓷介电常数随温度变化而变化的规律图谱。,悬臂压电梁电采集的参数分析 固有频率：臂型压电能量采集,9,能量采集技术的最新动态,来自,【日中环保生态网】,的消息：,可将无线传感器的平均功耗降至,1W,以下的技术开始显现出眉目。一直阻碍电力转换元件实现小型化的瓶颈终于要被突破了。,意义：,以上的技术突破促进了装有电力转换元件的能量采集器件的小型化发展。,能量采集技术的最新动态来自【日中环保生态网】的消息：可将无线,10,最近面世的能量采集技术,最近面世的能量采集技术,11,具体而言，就是将体温、步行、太阳光、室内电灯、电视及手机等接收的电波、地热、植物及食物的电解液、日常生活及交通工具的振动及压力等作为电力源使用。,此外，日本大企业也开始涉足能量采集（,EH),领域，比如有名的,富士通、松下、,NTT,及瑞萨电子等日本大企业也开始正式开发电力转换元件及,EH,元件,。,具体而言，就是将体温、步行、太阳光、室内电灯、电视及手机等接,12,功耗决定,EH,元件的尺寸,功耗决定EH元件的尺寸,13,典型,EH,元件的基本参数,此前获得应用的,EH,元件绝大部分都需要消耗数,W,以上的电力。但为提高易用性而缩小元件尺寸后，只能获得,1W,以下的电力,。并且,以往的大多数通用,MCU,及其外围电路技术中，最低运行功耗为,10W,100W,。可提供,10W,电力的电力转换元件的尺寸约为,10cm,2,(,数,cm,见方）以上,。,如何解决既要使用小尺寸传感器又要满足使用要求是我们要解决的主要问题。,典型EH元件的基本参数此前获得应用的EH元件绝大部分都需要消,14,如何解决？,解决方式主要有以下,两种,:,1,在消耗功耗的元件上，我们要设法降低元件的使用功耗，设计更低功耗的传感器，以及与之配合的元件电路上。,2,设法提高能量收集设备的效率，将收集的能量汇聚，在输出给通用传感器，这就必须在收集电路上下功夫。,如何解决？解决方式主要有以下两种:,15,EH,元件小型化的条件,（,1,）,称为,“,能量纳米技术,”,的电路技术开始问世,，,具体表现是，超低功耗,MCU,及电路的技术提案日益增多，这些,MCU,及电路可有效利用电力转换元件提供的微量电力来工作。,（,2,）,低功耗建立在间歇运行的基础上,，,原理，先花费时间将电力储存在电容器或充电电池中，然后再间歇驱动无线通信电路运行。,EH元件小型化的条件（1）称为“能量纳米技术”的电路技术开始,16,PS,自己的想法：我们可以根据具体的环境进行分析，我们可以采用多种能量源供应电力。多种电源的意思就是我们在一次转换中可以并联两个或两个以上的能量转换源，比如我们可以在利用振动能的时候同时利用温差能，将二者的能量汇集到一起提供给要供电的系统，前提是这两种能量源要能用相似的电路系统。,PS自己的想法：我们可以根据具体的环境进行分析，我们可以采用,17,超低功耗电路设计原则,系统总功耗,=,静态功耗,+,动态功耗,静态功耗：静态功耗电流常用于评价电路的静态功耗大小，它以流经电路中各,PN,结的反向漏电电流为主。,动态功耗：体现在电路进行逻辑状态转换过程中的电路内部消耗的功耗。对于,CMOS,电路来说，主要体现在瞬时导通功耗和电容充放电功耗。,超低功耗电路设计原则 系统总功耗=静态功耗+动态,18,电路系统的总功耗与系统的电源电压有很大关系，而动态功耗除了和电源电压的平方有关系外还和电路工作的脉冲重复频率，脉冲波形以及输出容性负载有关系。,超低功耗的系统设计原则：“三相宜原则”即：电源电压不宜高，时钟宜慢不宜快，系统宜静不宜动。,电路系统的总功耗与系统的电源电压有很大关系，而动态功耗除了和,19,设计低功耗电路的具体原则,在满足使用要求的前提下尽量选择低功耗处理器,MCU,，如,CMOSHMOS.,外围器件尽量选择与单片机电源相匹配的低电源产品，或者专门为低功耗系统设计的器件。,电源管理方面采用单电池电源实现多分支电源网路管理，使得系统的各功能模块电源相对独立，在不工作的时候可以分别断电，节省功耗。,尽量选用软件代替硬件进行工作。,设计低功耗电路的具体原则在满足使用要求的前提下尽量选择低功耗,20,目前比较通用的符能器,D33,D33,模式的振动符能器,特点：沿压电纤维方向正负分支电极交叉排列,上下表面的电极结构完全对称。,d33,模式提供了沿压电纤维长度方向的极化电场,使得传感器工作时使用比较大的压电常数,d33,。在电极区附近的电场分布不均匀,目前比较通用的符能器D33D33模式的振动符能器,21,目前比较通用的符能器,-D31,D31,模式振动符能器,特点：,d31,模式提供了,垂直于纤 维方向,的极化电场,使得传感器工作时使用较小的压电常数,d31,。这种电极的结构特点是,:,正负分支电极分别位于金属压电纤维上下表面,在电极区附近的电场均匀分布。,目前比较通用的符能器-D31D31模式振动符能器,22,两种工作模式的比较,相对于,d31,模式俘能器,叉指电极结构尺寸对工作于,d33,模式的悬臂梁俘能器输出电压影响更大。,d33,模式的机电耦合性比,d31,模式的要好。,MFC,和基板材料厚度比为,0.6,时,d31,模式俘能器的输出电压最大。,MFC,和基板材料厚度比为,0.75,时,d33,模式俘能器的产生电荷量最多,d33,模式俘能器具有能输出高电压值与低电流值特特点，,d31,模式俘能器具有能输出低电压值与高电流值特点。,两种工作模式的比较相对于d31模式俘能器,叉指电极结构尺寸对,23,3-,压电符能电路的介绍,由压电振子传的能量是交流电，而且电量非常的弱，如果想正常应用必须对电路进行后续处理，正常的家用电器需要稳定的直流电源，所以一般情况下压电产生的能量需要经过以下几个模块。,AC-DC,滤波,DC-DC,电量储存,3-压电符能电路的介绍由压电振子传的能量是交流电，而且电量非,24,（,1,）经典电路,经典接 口电路 由整流桥和滤波电容组成。,目的：,是将压 电元件输 出的交流 电压转换为负载所需的直流电压，如图,2,所示。图中，,R,，为与实际负载消耗相 同的等效电阻，滤波电容,C,远大于静态夹持 电容,C p,，目的在于减小输 出电压波纹 。,（1）经典电路经典接 口电路 由整流桥和滤波电容组成。,25,经典电路是现在存在的各种电路的鼻祖，也是各种电路的基础，它最早被提出来，后人根据这个电路进行了各种各样的改进，这个电路本身属于为分析而存在的电路，用这种电路收集能量的效率非常的低，通常情况下没人采用。通常都是作为各种电路的比对对象，跟经典电路比效率高多少成为衡量电路性质优劣的标准。,经典电路是现在存在的各种电路的鼻祖，也是各种电路的基础，它最,26,2,同步提取电路,当压电元件两端电压与结构振动速度始终保持同向时，压电发电机输 出功率较高。同步电荷电路原理如图,4,所示，当压电元件两端 电压,V,达到峰值时，闭合开关,s,，则压电等效 电容,c,与电感,L,形成振荡 回路，压电元件上累积的电能 在短时间内转移为电感 中的磁能存储；电能转移 完成后，开关打开，压电元件开路，同步电荷提取 电路输 出功率恒定，其原因在于开关闭合 时间等于,L-C,回路振荡周期的,1,4,，恰在这段 时间内电能全部 转换为磁能，与负载大小无关。,2同步提取电路当压电元件两端电压与结构振动速度始终保持同向时,27,3,改进的无源同步电荷提取电路,因为同步电荷提取电路中需要对开关进行开关控制，针对开关的控制提出了一种改进的无源同步电荷提取电路，无源同步电荷提取电路包括,整 流桥、无源峰值检测开关 电路,及,单端 反激变换电路,。,这个电路提出来后也没有得到太多的关注，因为它在设计分析时候把太多的东西理想化了，而且该电路采用的电子元件非常多，电量损耗会很大，所以效率不是特别的高。,3改进的无源同步电荷提取电路因为同步电荷提取电路中需要对开关,28,关于开关控制的说明：,现在比较通用的电路大多采用了控制系统，例如我们刚刚看到的电路需要开关控制。目前针对这种控制系统主要采用与单片机结合的,PWM,脉冲控制，它可以控制开关量，但是在大多数论文的分析中都将控制方面略去，主要考虑的是控制需要供能，它是否可以由压电系统供能或者另外接电源是根据压电系统产能量大小而决定的。,关于开关控制的说明：现在比较通用的电路大多采用了控制系统，例,29,4-Parallel-sshi,电路,右图为,SSHI,电路中最具代表性且发展的最早的电路，可以说其他的,SSHI,电路均是在这个电路基础之上发展起来的。,该电路在电源两端并联了一个电感线圈，它的主要作用是：减少寄生电容的大小，导致力电耦合系数被无限的放大了，所以引起功劳的极大提高（最多可提高,900%,）。而且对压电振动子在共振频率偏移导致的输出功率大幅度下降有钝化作用。本质上是单纯的侦测极值做振动同步控制。