一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计

张倩昀，梁国凯，梁朝芳

（1.西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 710077；2.中航工业西安飞机工业有限责任公司，陕西 西安 710089）

0 引 言

社会发展应以能源应用为前提。生活中，振动无处不在。一方面周围环境振动会在结构上造成损伤，缩短结构使用寿命；另一方面，振动会对环境带来噪声污染。如果可以将这些振动能量收集起来转换为电能并采集利用，不但能够减少结构损伤，降低结构推护成本，而且可以降低噪声。因此，对振动能量的采集是人们需要关注和解决的问题。

振动能量的采集通常有三种方式：电磁式[1-3]、静电式[4-5]和压电式[6-10]。电磁式技术较成熟，能量转换效率较高，但其机构复杂、体积较大。静电式可方便与微机电系统结合，但产生的电能很难实现器件商业化。压电式原理是基于压电效应，即压电材料在外力作用下产生电荷。近年来，压电能量采集技术受到了广泛关注。作为长期甚至无限生命周期的自主供电系统，压电能量收集器在一些不便更换电池或者希望避免电池更换场合具有广阔的发展空间。

本文设计了一种悬臂梁式压电双晶片的能量收集器，从能量收集器结构和能量收集电路上分别进行设计。实验测试结果表明，在压电双晶片上施加一定的机械振动力，设计的悬臂梁式压电双晶片能量收集器能够正常工作，为负载发光二极管提供正常工作电压。

1 悬臂梁式压电双晶片能量收集器结构

1.1 压电片能量收集器的结构

文献[11]采用ANSYS10.0版本对不同形状悬臂梁基板和不同形状压电片的压电式能量收集器的发电效应进行了有限元建模和仿真分析。通过仿真结果分析得出，矩形压电片输出电压较三角形压电片和梯形压电片输出电压高。基板为矩形的压电片应变和产生电压均大于基板为三角形和梯形的压电片，且其一阶共振频率也介于两者之间，更适合于制作能量收集器。因此，本文选用了矩形结构悬臂梁式基板和矩形结构压电片的组合方式作为能量收集器的整体结构。

1.2 压电片的连接方式

在外压力作用下，由于正压电效应，压电片上下两表面会产生正负电荷。此时，一个压电片就相当于一个电容。设该电容的电容量为C，电荷量为Q。

当两个压电片并联连接，即电容C1、C2并联，如图1所示。负电荷将分布在每个电容的负电极板上，正电荷分布在每个电容的正电极板。若压电片参数完全一致，即C1=C2=C，则输出总电荷和电容量分别为：

如果两个压电片串联连接，即电容C1、C2串联，如图2所示。正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，正、负电荷分别分布在两压电片的中间串联极板上。若压电片参数完全一致，中间上下极板分布的正负电荷相互抵消，则输出总电荷和电容量分别为：

图1 压电片并联连接与其等效电容电路图

图2 压电片串联连接与其等效电容电路图

根据电容串并联连接分析可知，当两个压电片采用并联连接时，输出电容量和电荷量增加1倍；当采用串联连接时，它的输出电容量为单个电容的一半，电荷量为单个压电片的电荷量。为了提高能量传输效率，需要提高压电片等效电容。因此，本设计采用压电双晶片并联连接方式。

2 悬臂梁式压电双晶片的能量收集电路

压电片受到外力作用时会在上下表面产生电荷，一旦外力消失，电荷也立即消失。同时，压电材料输出的是低交流电压和信号极小的微弱电流，不能直接为电子元器件供电。因此，需要研究能量收集和存储电路，实现对压电片产生的电荷的利用。压电双晶片在机械振动作用下输出交流电信号，经过整流、滤波等变换后，再经收集电路进行存储。为了对机械振动转化为电荷的能量尽可能多收集，本文采用四倍增压电路，将压电片输出电压进行整流、滤波和升压，然后用Max1811芯片对输出电能进行收集，以便后续利用。系统框图如图3所示。

图3 系统框图

2.1 四倍增压电路

四倍增压电路如图4所示。已知压电片输出电压是具有正负极性的交流电。当极性为正时，二极管D1和D3导通，电容C1和C3充电，得到实际电压为U。当极性变负时，二极管D1和D3关断，电容C1和C3充电完成；D2导通，C1继续充电两端电压增加，C2再次充电达到原来的2倍。同样，C4也充电到2U。由于C2和C4不能放电，使接在其两端的超级电容C5保持直流电压为4U。实际中，由于每个二极管有正向电压降，C5上直流电压不能完全达到4U，但是近乎接近。接下来正半周期，C2和C4对负载放电，通过C1和C3得到补充。分析可知，C2和C4有滤波作用，用于减小输出电压纹波。因此，四倍压整流电路能同时完成整流、滤波和提高直流电压大小的功能。

图4 四倍增压电路

2.2 电能存储电路

采用Maxim公司推出的Max1811高集成度电池充电器进行电能存储[12]，图5为Max811芯片的功能引脚图及其电路图。Max1811芯片设计电路的外围元器件非常少，且易于控制电路体积。该芯片内部集成温度控制回路和电池过放电电压检测电路，输入电压4.35～6.5 V，可以为一节锂电池充电至500 mA。

通过采用四倍增压电路，经过整流、滤波和增压，将直流电存储在超级电容器C5中。当电容C5电压值达到Max1811充电控制端输入电压要求时，电路开始工作。通过设置引脚SELV充电电流为100 mA或500 mA，便可实现对电能的存储。

2.3 能量收集电路

整体能量收集电路，如图6所示。悬臂梁式压电片能量收集器将机械振动能转化为电能，通过四倍增压电路，利用Max1811对电压进行存储，并最终用于低功耗电子元器件供电。

图5 基于Max1811芯片电能存储电路图

图6 能量收集电路

3 实验测试与结果

实验采用的压电片材料为PZT-5，悬臂梁基板选用金属弹性层黄铜。基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器实物如图7所示。

图7 基于悬臂梁式压电双晶片能量收集器

电路测试中，调节信号发生器，产生幅值500 mV、频率50 kHz的正弦电压信号，来表示悬臂梁式压电双晶片能量收集器机械能转化为电能的输出信号。将此正弦电压信号作为四倍增压电路中的输入信号，采集四倍增压电路输出信号。经计算，电压放大倍数约为3.4，电路存在一定损耗，四倍增压电路实现了对输入信号有整流、滤波和升压功能。

将四倍增压电路里的直流电存储在电能存储电路的超级电容器C5中。当它积累了足够的能量后，C5充电电压能够达到2.4 V，且输出波纹极小的直流电信号，其输出波形如图8所示。

图8 C5电容器充电电压曲线

通过对压电双晶片施加一定机械振动力，能量收集电路能够实现为发光二极管供电。LED指示灯会点亮，说明基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器能够正常工作。

4 结 论

本文设计的基于悬臂式压电能量收集器，结构上选用了矩形结构悬臂梁式基板和矩形结构压电片组合方式为压电能量收集器整体结构，其中压电双晶片采用并联连接。设计的四倍增压电路可对压电片因振动产生的微弱交流电进行整流、滤波和升压处理；采用芯片Max1811对直流电存储，获得了为负载发光二极管供电的直流电压。压电能量收集器基于正压电效应，将机械振动能转化为电能，具有节能环保等特点，因此具有广阔的发展空间。