基于压电的车载传感器自供电技术研究

范媛媛，吴尚光，李 曼，高 扬，李浩祥，郝云荣，黄 飞，桑英军

(1.淮阴工学院数理学院，江苏淮安 223003；2.淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏淮安 223003)



基于压电的车载传感器自供电技术研究

范媛媛1，吴尚光2，李 曼2，高 扬2，李浩祥2，郝云荣1，黄 飞2，桑英军2

(1.淮阴工学院数理学院，江苏淮安 223003；2.淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏淮安 223003)

由于电动汽车的广泛推广及其智能化发展的需求，车载传感器数量激增，传统供能方式诸如污染、维护困难等缺陷日渐凸显。考虑到车载环境中振动无处不在，利用压电技术对振动能量进行收集，设计压电式振动能量收集系统以用来解决微功耗传感器供能问题。文中对系统的结构以及数学模型进行了理论分析，给出了系统振动频率的数学模型以及压电输出的数学模型，在仿真分析的基础之上设计了一套压电能量收集装置，并对其共振情况下的发电性能进行了实验测试。实验结果表明提出的理论模型可以很好的预测系统的输出特性，在共振频率为11.6 Hz，加速度为0.5g时，系统获得的最大开路电压是4.45 V，在最优负载电阻为400 kΩ 时，振动能量收集装置的最大的负载功率为15.02 μW。结合超级电容的储能功能，可以满足功率更大间歇式工作方式的车载传感器的能量供给。

环境振动；压电；悬臂梁；能量转换；负载功率

0 引言

随着电动汽车智能化以及汽车传感器微型化的发展，电动汽车传感器数量将大幅度地增加，遍布汽车的各个部位，大量微型传感器节点的供能问题成为亟待解决的难题之一[1-2]。人们希望可以从电动汽车自身振动环境中收集能量并经过转化对传感器进行供电。振动能量收集技术是目前正在研究一种热门方式，这种供电方式可以延长低功耗设备的寿命并且可以不依赖电池或者线束对设备进行单独供电[3]。

将环境振动产生的能量转化为电能是可行的,车载环境中振动无处不在，回收这些振动能量可实现车载微型传感器的自供电。目前很多文献对使用不同的能量收集方法来提高振动能量收集的效率进行了报道[4-5]。由于压电材料的可用性强、性能好、可以提供更高的输出电压等优点[6]，利用压电效应对能量进行收集的新技术得到关注。

压电式振动能量收集系统可以用来解决微功耗传感器供能问题[7-8]。本文设计了一种结合共振和压电技术的振动能量收集装置，并对其共振情况下的发电性能进行了测试。实验结果表明：在共振频率为11.6 Hz，加速度为0.5g时，系统获得的最大开路电压是4.45 V，在最优负载电阻为400 kΩ时，振动能量收集装置的最大的负载功率为15.02 μW，系统模型很好地反映了系统地输出特性。

1 系统结构及数学模型

1.1 系统结构及原理

基于振动的压电能量收集装置如图1(a)所示。该装置是由末端带有质量块的压电悬臂梁组成。质量块用来激发振动和调整共振频率。悬梁臂的振动由外部振动引起。压电片受到应力的作用产生电荷，整合这两部分能量使得输出的总能量增加。

1.2 数学模型

压电悬臂梁结构对环境激振最为敏感，容易产生受迫振动，在对其进行振动力学分析时，可以用弹簧-质量块-阻尼单自由度系统模型来描述悬臂梁在外部振动激励下引起的振动模型[2]，如图1(b)所示。振动系统的模型为

(1)

(a)悬臂梁的结构模型

(b)弹簧-质量块-阻尼模型图1 不等长单晶CVPG的模型

根据横截面转换法[4]和惯性矩平行轴定理[5]，利用悬臂梁在x=0～lp段和x=lp～le段的等效截面惯性矩I1，I2方程，结合结构力学相关理论[4]可知该悬臂梁的系统有效弹性系数为

(2)

(3)

式中K1为频率修正系数。

由压电方程[5]可知当悬臂梁在受到z方向惯性力作用下，压电层会在x方向产生拉伸和压缩，并在z向形成耦合电场。对于压电应变δ=-d31E3，式中d31为压电系数，E3为电场强度，可以将其等效为一个在悬臂梁末端的集中力FE，在式(1)中加入电场力后得

(4)

根据应变和弯矩的方程及关系得

FE=k1U

将FE代入式(4)，解得

(5)

根据热平衡原理，利用无穷小的单元体内所产生的系统内能[6]表示为压电层的总能量，再利用悬臂梁所受外力与相对位移z的关系[7-8]，整理得到压电振动发电机在环境激振作用下的开路电压和振动激励加速度之间的关系为

(6)

式中：Ain为表示外部激励振动的加速度，Ain=ω2y；K2为电压修正系数；Cp为压电体静态等效电容；k2为悬臂梁尺寸相关参数。

2 仿真分析

利用MATLAB软件对压电模型进行了数值仿真，压电悬臂梁共振频率与悬臂梁的长度、悬臂梁的宽度、质量块的长度、质量块的高度以及压电陶瓷片的结构参数的关系如图2所示。

(a)共振频率-垫片厚度-压电陶瓷片厚度的关系

(b)共振频率-压电陶瓷片长度-质量块的长度关系

(c)共振频率-压电陶瓷片宽度-小质量块的高度关系图2 共振频率与悬臂梁结构参数的关系

由图2(a)知，在悬臂梁质量块的长度确定的情况下，共振频率随着压电陶瓷片的长度的增加而降低，在压电陶瓷片的长度一定的情况下，共振频率随着质量块的长度的增加而减小。由图2(b)可知，压电悬臂梁的共振频率随着压电陶瓷片的厚度和金属垫片的厚度的增加而增加。由图2(c)可知，在小质量块的高度不变的情况下，压电悬臂梁的共振频率随着悬臂梁的宽度的增加而升高，而当悬臂梁的宽度确定后，压电悬臂梁的共振频率随着小质量块的高度的变化并不发生改变。

3 系统性能测试与分析

由仿真分析可知，装置共振频率与与悬梁臂的结构参数相关。通过改变压电片和基片板的长度、宽度、厚度等参数，可以调节系统的共振频率。系统共振频率设计为12 Hz，结合仿真分析，最终确定了压电悬臂梁尺寸参数，如表1所示

表1 复合式能量收集装置的参数

为了方便地实现数据采集和分析，使用虚拟信号发生器产生正弦波，编程实现正弦波频率与幅值大小调节，再通过数模转换器(D/A)激振源模拟外界振动源。随着激振器一起振动的压电悬臂梁结构输出电压，通过数据采集卡采集绘图保存以利于数据分析，能方便地分析系统输出电压、模拟振动幅值和模拟振动频率之间的关系。图3(a)为实验系统构成图，图3(b)为现场实验图，示波器显示了压电开路输出电压的波形。能量转换电路由DF005S整流桥，储能的容值为0.047 F的电容以及TPS62200构成的稳压电路组成。

(a)实验系统的构成图

(b)现场实验图图3 实验系统平台

4 实验结果分析

系统理论仿真值是在不考虑修正系数的情况下获得的，令K1=K2=1，共振频率理论值为12 Hz，实验测得的共振频率为11.6 Hz，当振动加速度为0.5g时，压电悬臂梁工作在共振频率下的电压峰值为4.45 V左右，略低于理论值5 V。输出电压峰值与振动频率的关系曲线如图4(a)所示。该压电悬臂梁式发电系统在振动频率在6～18 Hz范围内，即接近共振频率时才有较高的输出电压，其峰值超过了2.5 V，而在频率过大或者过小时输出电压值也很小。

在共振频率处，通过matlab数值仿真以及PSPICE电路仿真获得了系统的最优负载约为400 kΩ。在负载为400 kΩ时，实验测的最大功率为15.02 μW，略低于理论值17.89 μW。系统的负载电压与负载电阻的关系曲线如图4(b)所示，负载电压随着负载电阻值的增大而增大。负载功率与负载电阻的关系曲线如图4(c)所示。从图中可以看出，负载功率首先呈上升趋势并在最优负载电阻400 kΩ时达到峰值，当负载电阻大于400 kΩ时负载功率随之下降。实验测量值与理论仿真值非常接近。

由实验可知，大部分实验数值要低于理论获得的数值，除了计算误差以及实验读数误差的原因以外，主要是因为悬臂梁的固定基座在一定程度上增加了悬臂梁起振部分的长度，使得实际获得的共振频率较理论值略低，同时输出电压也会略有下降。考虑到这些因素的影响，基于对实验结果的分析，对本文提出的系统模型进行修正，取K1=0.97，K2=0.89，修正后的模型可以更好地反映系统的输出特性。

(a)输出电压峰值与振动频率的关系曲线

(b)系统的负载电压与负载电阻的关系曲线

(c)负载功率与负载电阻的关系曲线 图4 实验结果

4 结论

本文针对车载微型传感器的供电需求，提出了采用压电技术回收车载环境中的振动能量。首先研究分析了基于压电的能量收集系统的数学模型，然后对系统结构参数与其共振的关系进行了仿真分析，设计了一套结合共振和压电技术的振动能量收集装置，在共振频率为11.6 Hz，加速度为0.5g时，系统获得的最大开路电压是4.45 V，在最优负载电阻为400 kΩ时，振动能量收集装置的最大的负载功率为15.02 μW，实验结果不仅验证了理论模型的准确性，同时表明该系统可以满足功率更大的间歇式工作方式的车载传感器的能量供给需求。

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Vehicle Sensor Self-powered Technology Research Based on Piezoelectric

FAN Yuan-yuan1,WU Shang-guang2,LI Man2，GAO Yang2,LI Hao-xiang2,HAO Yun-rong1,HUANG Fei2,SANG Ying-jun2

(1.Faculty of Mathematics and Physics,Huaiyin Institute of Technology,Huaian 223003,China;2.Faculty of Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huaian 223003,China)

As a result of the electric vehicles popularity and the development of vehicles intelligent,the number of vehicle sensors surges.Meanwhile,many defects of traditional energy supply were increasingly prominent,such as pollution and maintenance difficulties.Taking into account the vehicle vibration exists everywhere,the piezoelectric technology was used to collect vibration energy,and piezoelectric vibration energy collection system was used to solve the energy problem of micro-power sensor.In this paper,the system structure and the theoretical model were analyzed,and the mathematical model of the system vibration frequency and the piezoelectric output were put forward.The piezoelectric energy collection device was designed on the basis of simulation analysis.The performance of its power generation in the case of resonance was tested.The results show that the theoretical model proposed in this paper can be a good predictor of the output characteristics of the system.As the resonance frequency is 11.6 Hz and acceleration is 0.5g,the maximum open circuit voltage of the system is 4.45 V.When the optimum load resistance is 400 kΩ,the maximum load power of vibration energy collection device is 15.02 μW.Greater energy can be caught to meet the vehicle sensor power supply needs with the use of super capacitor.

environmental vibration;piezoelectric;cantilever;energy conversion;load power

国家自然科学基金青年基金(51307070)淮安市科技支撑计划项目(HAG2013054)

2014-10-08 收修改稿日期：2015-03-02

TM919

A

1002-1841(2015)08-0010-03

范媛媛(1979—)，讲师，博士，主要研究领域为信号处理。 E-mail：fyuanyuan123@163.com