基于压电材料的发电保温鞋

周书艳，李保森，肖爱民

(新疆大学 纺织与服装学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

随着社会的快速发展，智能可穿戴产品在生活中逐渐普及，这些智能服饰产品的电能供应不持续是限制其快速有效普及的瓶颈之一。智能可穿戴产品的常用供电方式为锂电池供电，聚合物锂电池容量有限，电能不能持续输出。此外，聚合物锂电池随着容量的增加，体积和质量会逐渐增大，加大了智能可穿戴产品的设计难度。因此，智能可穿戴产品的电能供给需要另辟蹊径，设计新的方案。目前在很多领域发现了多种能量转换的办法，如水电、风电、潮汐能发电以及光伏新能源等方式[1]。随着越来越多换能器产品的出现，能源转换方式逐渐增多。生活中，人体运动会产生大量的机械能，若实现利用换能器将人体运动的机械能转化为电能的方案，便可增加智能可穿戴产品的续航能力。

在众多能量转换方案中，对压电材料压电效应[1]的研究越来越成熟。由此结合智能服饰的概念提出一种利用压电材料将人体运动产生的不便收集的机械能转换为便于储存利用的电能、热能等能量的方案。人体运动的机械能通过压电材料转换而获得的电能不仅清洁无污染，且较为安全，可广泛应用在生活中[2]。国内外对压电材料在压电鞋中的设计已有许多设计和专利创新。如吴楠等[3]设计一种基于压电效应的压力发电鞋，其重点是对双晶压电片的应用研究；樊康旗等[4]通过从人体行走中收集能量来研究换能器；文婷等[5]提出一种如何提高压电片受力的结构等。前人的研究设计多采用压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic，简称PZT)或聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，简称PVDF)压电膜等单一压电材料，将其放置在悬臂梁结构中实现脚部压力冲击[6]压电片来达到能量转换的目的。这种保温鞋的设计与更早的电磁式发电鞋[7]相比具有质量轻、机械结构简单等优点，但放置悬臂梁结构的发电鞋鞋底空间受限，不能放置过多的压电片，也有发电量低、电能收集困难等问题。同时，悬臂梁结构易受到由于过多脚部压力冲击而出现的磨损，故障率较高。

本文针对如何提高压电保温鞋发电量，优化电能收集电路，增加保温鞋温度便捷可调节功能的研究方向，提出一种以PZT和PVDF为压电材料设计的“拱形”复合压电结构，以LTC3588-1芯片电路为储能电路的发电保温鞋。这种设计方案有效将人体运动时难以利用的机械能转换为清洁电能和热能，为人体脚部供暖保温，也使智能服饰发展所需电能的自备成为可能。

1 压电发电保温鞋原理

压电效应是压电片发电的核心。沿着压电材料某个方向施加应力时，材料会发生形变，此时对应的受力面改变了电中和状态，分别在两面产生等量的正负电荷，这是正压电效应。反之，逆压电效应是对压电材料极化方向施加电场时，压电材料会在一定方向上产生机械形变或者对应的机械压力，撤掉电场时，此形变或压力也随之消失。压电效应是存在于持续不断外力场中，压电材料受到外力作用时，可对外输出电荷，实现能量转换，当外界变化的力消失，电荷输出也随之消失。因此，保持压电材料持续受到变化的外力作用是电荷持续输出的必要条件。

本文的发电保温鞋利用压电材料的正压电效应原理设计。压电保温鞋将设计的“拱形”压电结构做成发电装置嵌入鞋底，通过人体运动时脚部对鞋底压电装置的不断施压和放压，使其不断产生形变而持续输出电能。输出的电能通过LTC3588-1芯片收集电路储存到柔性电池中。压电保温鞋以柔性电池为储能和供能媒介，用于压电能电量存储和对控温电路供电。控温电路控制碳纤维发热丝的通断，达到脚部供热和保温效果。鞋内温度可在20～45 ℃范围内通过手机端蓝牙APP自由调节。

2 压电发电装置分析与设计

2.1 压电片发电模型建立

压电片为非线性元器件，设计中需考虑其输出特性对电能收集的影响[8]。针对电路输出问题，电学上采用电源串联增压或电源并联增流的方式以达到输出要求。经实验测量，通过走路方式脚底产生的压力使压电装置最高可输出开路电压20 V，短路电流为160 mA。压电装置的输出电压能满足输出要求，为使在同样激励情况下获取更多电能，可通过提高输出电流的方法实现。因此本文采用多压电片并联的方式提高电流输出，达到相同激励下收集到更多电能的目的。

发电装置主要是靠PZT和PVDF的复合压电片利用压电效应实现机械能转换为电能。假设在垂直压电材料正面的方向上施加压力时，上、下两面分别带正、负电荷，则当在垂直压电材料正面的方向上施加拉力时，上、下两面分别带负、正电荷，因此压电材料在一定振动频率下极化面两端的正负电荷是随之交替的。这里建立压电片的等效模型，便于对后续电路设计阻抗的计算。以电路电源模型为基础，把受外力时的压电片等效为交流电流源i(t)和内在电极电容的并联电路。根据戴维宁定理[9]计算出等效电路阻抗，见式(1)。

(1)

根据式(1)推出电路输出电压V0见式(2)。

(2)

由V0和负载R推出等效电流源输出功率P见式(3)。

(3)

式中：V0为等效电路负载端电压，V；Z为电路阻抗，Ω；w为等效电流源角频率，弧度/s；Ip输出电流，A；Cp为内在电极电容，F；R为负载，Ω；P为等效电流源输出功率，W。

2.2 输出电能传输效率分析

因压电效应产生的电荷是瞬态电荷，会随作用力的消失而消灭，所以负载电容大小对压电片产生瞬态电荷的收集是电能输出的重要影响因素。假设压电片的等效电容以C0表示，负载电容以C1表示，产生的电荷在二者之间进行电荷分配，根据电路原理[9]可知，传输结束后二者电压是相等的。若C1=aC0，则电容C1上存储的电能和产生电能的传输效率η由式(4)计算得出。

(4)

图1 电能传输效率Fig.1 Power transmission efficiency

2.3 压电片发电量计算

根据压电效应发电的原理，假设压电片沿坐标轴Y轴方向极化，保温鞋压电片受力示意图见图2，由图示出压电片受力方式和电能输出方向。

图2 保温鞋压电片受力示意图Fig.2 Stress diagram of piezoelectric plate of thermal insulation shoe

模拟人体行走时脚沿Y轴方向对压电片施加外力F。在外力作用下，发电片产生的电荷量Q和电压U由式(5)(6)计算得出。压电片等效电容的储能最大值由式(7)(8)计算得出。

Q=d33FS

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Q为电荷量，C；U为压电片输出电压，V；C0为压电片等效电容，F；d33为压电片的压电常数；F为压电片表面受到的应力，N；S为压电片受力面积，m2；d为压电片的厚度,m；ε0为压电片真空介电常数；εr为压电片相对介电常数；E为压电片输出的电能，J。

2.4 压电片放置结构设计

由式(8)中变量关系推导出：电能的多少与压电片受力面积和压电片厚度成正比，与压电片的压电常数的平方成正比，与相对介电常数和真空介电常数成反比。因此排除不可控因素，宜采用柔韧性好，相对介电常数尽可能小和压电常数尽可能大的压电材料，结合查阅的资料和文献[10]，PVDF和PZT组合使用既满足柔韧性好、稳定性强、抗冲击强度高，耐腐蚀性好等条件，也满足相对介电常数低，有较高的压电常数值d33的特征。综上所述，本文设计出以PZT和PVDF复合压电材料为基础的“拱形”压电结构。

通过理论发电量分析，压电片的厚度和面积是影响发电量的主要几何因素。因为压电片放置结构直接影响着鞋底可利用空间体积大小。前人的研究为了提高压电片收到的作用力[5]多采用悬臂梁结构。在产品设计中存在鞋底应用空间较小、人体压力较大等因素，使得对悬臂梁机械结构品质要求较高，并且悬臂梁结构本身要占用鞋体空间较大，因此压电片安置的大小直接受限。因此，本文设计的“拱形”结构做到精简机械构造，提高鞋底空间利用率，更大效率放置多块并联压电片提高发电量。“拱形”结构采用不锈钢作为外骨架，用于抵抗脚部压力，不锈钢骨架挤压压电片产生形变，当脚部抬起，不锈钢骨架压力消失，形变恢复。这个设计结构通过时刻感应脚部的压力实现电能转换。

本文设计的并联型“拱形”结构为上下对称结构，包括最外层为拱形不锈钢骨架层，用于固定压电片形变量和本身机械韧性恢复形变位移，是直接受力面。中间层是PVDF压电膜层，最内层为PZT压电片层。“拱形”压电结构如图3所示。

图3 “拱形”压电结构Fig.3 "Arch" piezoelectric structures

2.5 保温鞋压电片发电功率测试

本文从理论上对发电装置作出改进设计，并对新设计的发电保温鞋的“拱形”压电结构进行发电量测试。本次发电功率测试以新设计的单片“拱形”压电结构为例，以1名50 kg女性的单脚压力为外力来源，并采用以LTC3588-1芯片设计的管理电路为电能收集装置，另外以数字多用表及示波器作为电信号监测设备进行本次试验。

试验者以80步/min的速度持续不断踩压“拱形”压电结构，压电装置电荷输出端通过整流电路连接LTC3588-1芯片的收集电路。储能电容规格选用10 V、1.88 mF的法拉电容，收集电路释放电压阈值为5.1 V，以10 kΩ电阻为负载，以二极管作为通断指示，通过数字多用表和示波器实时监测收集电路的输出端及储能电容端的电压U和电流I。

P=UI

(9)

W=Pt

(10)

式中：P为输出功率，W；W为电能做的功，J；U为输出电压，V；I为输出电流，A；t为电能输出时间，s。

经测试，储能电容端电压经过约10步踩踏后电压由0.0 V上升到5.1 V，满足释放电压阈值条件后储能电容进行电荷释放。以80步/min的速度持续不断踩压“拱形”压电结构，使发电量满足维持储能电容端电压达到5.1 V条件，管理电路终端输出恒定电压为3.6 V，持续输出电流0.35 mA。

经测试结果计算得出该“拱形”压电结构中单片压电片发电输出功率约1.26 mW。拱形压电结构增加压电片层数，发电输出功率以放置的层数呈倍数增加，用以提高发电保温鞋的发电功率。

2.6 保温鞋发热与保温测试

本文对保温鞋的发热量控制和保温性能做出一系列测试试验。以同一测试者穿1双棉质马丁鞋的左右脚为对照参考，左鞋内放置有发热材料及控制电路，右鞋内不放置发热材及电路。以温度作为测试结果进行对比，加热材料设置温度为40.0 ℃，2只鞋内都采用DS18B20温度传感器作为温度监控设备。发热效果测试结果见表1。

表1 发热效果测试Tab.1 Heating effect test ℃

由表1示出测试时初使温度均为24.6 ℃，随着测试时间增加，左鞋中控温电路控制碳纤维加热丝加热，温度逐渐增高，加热速率先增加后减小，最后在180 s左右时逐渐接近温度设定值40 ℃。在此过程中，右鞋作为左鞋的空白参照，其温度无明显变化，由此得出加热丝在保温鞋内加热效果显著，最大加热速率达到0.14 ℃/s。

保温效果是测试以30、35、40 ℃的3个温度点为代表，分别测试到达设定温度后30 min时间内温度保持能力。保温效果测试结果见表2。

表2 保温效果测试Tab.2 Insulation effect test ℃

由表2示出，环境温度在30 min内波动量为0.1 ℃，各温度试验点下，鞋内温度均能保持在±0.2 ℃范围内，证明控制电路控温能力和鞋子整体保温性能良好。

3 保温设计

3.1 保温材料

根据人体脚部特征和受温特性，本文对多种发热的功能性材料进行对比选择。

本次试验发热材料需具备：①材料自身质地不宜过硬，以纤维或软质片状为宜。②材料发热量充足，厚度不宜太厚，与鞋垫结合轻薄、紧密，其尺寸要求当以脚部大小为参考；③供电参考电压以5 V为基准，保证鞋体电压为安全电压。④加热材料易于控制，避免发热量过大或不发热。根据材料特征要求，筛选出金属电热丝和碳纤维加热丝2种材料作为参考[11-12]。发热丝材料功能对比见表3。

表3 发热丝材料特征对比表Tab.3 Comparison table of heating wire material characteristics

由表3示出碳纤维电热丝具有通电电压要求低、材质柔性好、可任意弯曲、电热转换效率高、耐水性好、无电磁辐射等特点，适用于孕妇、儿童等特殊人群。碳纤维电热丝通电发热快、热源稳定、可控性好。综合考虑，选择聚乙烯膜封装的5 V碳纤维电热片作为本次试验的发热材料。本文设计的碳纤维发热鞋垫如图4所示。

图4 碳纤维发热鞋垫Fig.4 Carbon fiber heat-generating insoles

保温鞋的鞋垫结构分3层，鞋垫上层为导热面，直接与脚部接触导热；鞋垫中层为碳纤维聚乙烯封装膜，用于隔绝碳纤维丝与空气接触，防止通电氧化，延长使用寿命；鞋垫底层为隔热层，防止热量向鞋底传递，起到保温作用。其中聚乙烯膜封装长度为16～23 cm,宽度为4 cm,厚度为0.5 mm。

3.2 温度调节设计

本文发电保温鞋的设计加入蓝牙无线控温功能，实现无线温度调节，适应于不同场合、不同人群的多种温度要求。温度调节主要采用无线蓝牙传输模块和智能手机之间的数据传输，通过手机软件直观的调节温度。无线调节可避免鞋子上因增加按键和显示器而影响鞋子的美观，同时降低鞋中电路的复杂性，减少鞋子的电路故障率。

4 保温鞋整体结构设计

保温鞋整体外型设计以女士马丁靴鞋为基准，保温鞋外型设计图见图5,保温鞋鞋底结构见图6。鞋面和鞋底分别采用棉质保温材料和橡胶材料制作而成。鞋底的橡胶材质符合人体压力到“拱形”压电结构的高效传递要求，其韧性也可缓冲脚与地面压力，提高保温鞋的舒适性。在鞋底中前脚掌和后脚跟部预留空间内放入设计的“拱形”压电结构，脚拱部鞋底空间放置集成电路。

图5 保温鞋外型设计图Fig.5 Exterior design drawing of thermal insulation shoes

图6 保温鞋鞋底结构Fig.6 Thermal insulation shoe sole structure

5 结 论

本文通过文献研究和试验测试的方法，从如何提高压电片发电量以及优化保温鞋舒适性2个方面对压电材料在保温鞋中的应用问题进行研究。通过试验数据得出以下3点结论：

①新设计的“拱形”压电结构可以在鞋底有限空间中最大限度置入压电片，从而大大提高鞋子的发电量；②基于LTC3588-1芯片设计的电荷收集电路解决了高电压、低电流特征的压电能的收集和存储问题；③发电保温鞋采用蓝牙无线调控的方式控温，简化控制电路的复杂性，提高对鞋子调温的便捷性，实现不同场合和不同人群适宜温度任意调节的功能。

发电保温鞋的设计旨在解决当前市场中保温鞋发热用电不可再生、温度调节能力差以及当前保温鞋实用性不足的问题。新的设计符合新能源和碳中和的应用前景，为更多的压电发电产品的设计提供可能的依据。同时也为越来越多的智能穿戴等服饰产品的推广提供电量研究基础。