振动能通过能量转换电路电感电流,将振动能转换成电能,然后通过储能电路电感器生产储存,再经过DC-DC升压电路进入到智能电源管理电路。系统默认选择振动产生的能量,当振动产生的能力不足时,自动切换到锂电池供电。储能电路正常工作电压是2.7 V,而智能电源管理电路正常工作电压是5 V,所以设计了DC-DC升压电路,经过升压电路,2.7 V输入电压变为5 V输出,使智能电源管理电路能够正常工作;可充电锂电池正常工作电压是3.7 V,系统工作电压主要是3.3 V,因此设计了LDO电源电路。通过LDO电源电路,3.7V输入电压变为3.3V。
2.2 基于压电材料的振动能量转换
振动源采用压电晶体,利用其压电效应实现机械振动能到电能的转换,可以利用正压电效应发电。由于压电材料产生的是低交流电压、极其微弱的电流,产生的电流是瞬间和交替的,它以不规则的随机突发形式提供能量,而且在电能提取过程中具有阻尼效应。因此需要设计压电发电电源电路,对压电发电装置产生的电能进行能量转换和存储。
压电晶体充电等效电路如图3所示。L1是匹配电路的初级电感,I1是流入初级电感的电流,L2是次级电感,I2是流出次级电感的电流,M为互感,C2为次级电容,Iin是流入整流电路的电流,Vin是整流前C2两端电压,I是流入储能电容的电流,Vrest是储能电容两端点电压,Cst为总储能电容,由于Cst的值远远大于C2,因此Vrest在每个充电周期里是固定不变的。从能量源的角度出发,压电材料等效为交流电流源,Ip和等效电容Cp并联。
2.3 能量转换电路设计
通常使用的电源电压是直流电,而压电振子输出的是一种交流电,不能差模电感直接作为供电电源,这就需要设计相关的整流滤波电路,将压电材料振动产生的交流电压变为脉动的直流电压,经滤波得到平滑的直流电压。
本系统采用能量利用效率较高的桥式全波整流电路,如图4所示。D3~D6构成桥式整流电路,4个二极管轮流工作,Vac正半周时,D4和D6导通;Vac负半周时,D3和D5导通。当I2对C2(图3)进行充电时,C2两端电压上升,C2两端电压升高到Vrest时,整流二极管导通,C2两端电压被钳位到Vrest,I2通过整流二极管对Cst进行充电;当整流二极管均截止时,C2对前端进行放电。但此时输出的电压是脉动的,含有较大的纹波,必须通过滤波加以消除,才能得到平滑的直流电压。该电路中采用470μF电容进行滤波,保证电路中电压和电流的稳定。当输出电压在一定范围内变化时,该电路具有很好的稳压性能。
2.4 储能电路设计
超级电容作为一种新型的电力储能元件,既具有静电电容器的高放电功率优势,又像电池一样具有较大的电荷储存能力。同时,超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、免维护等优点。
本系统采用SU2400P-0027V-1RS超级电容设计了储能模块,其额定容量为300 F,额定电压为2.7 V,具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联电阻,其工作原理如图5所示。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷,在超级电容器的两极板上功率电感电荷产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,形成双电荷分布层,因此电插件电感容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,超级电容器为正常工作状态(通常为3 V以下),如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分解,为非正常状态。随着超级电容器放电,正、负极板上的电荷被外电路释放,电解液界面上的电荷响应将减少。由此可以看出,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应,因此性能是稳定的,与利用化学反应的可充电电池是不同的。
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