采用振动能量收集器的储能充电电路的制作方法与工艺

本发明属于应急电源装置领域，尤其涉及一种用于变电站紧急照明和开关应急操作的储能充电电路。

背景技术：
变电站是将发电厂发出的电输送之前改变电压的场所。在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点，其重要性不言而喻。变电站一旦出现故障，对居民、工厂等的用电将造成重大影响和损失，因此变电站故障一定要及时抢修，以最大限度地降低其造成的社会和经济损失。现有的变电站中，应急事故照明系统已经作为一种标准配置，被广泛应用。一个标准的应急事故照明系统，通常由一套交/直流变换装置、至少一组蓄电池和分布于各个关键照明电的紧急照明灯具等构成。在变电站的站用交流电源系统正常时，应急事故照明系统由站用交流电源系统供电，对应急事故照明系统中的蓄电池组进行充电，一旦变电站的站用交流电源消失，则变电站应急事故照明系统自动通过切换电路将平时处于充电状态的蓄电池组(亦称直流系统)投入运行，对各个紧急照明灯具进行供电，确保在事故状态下必需的照明。现有的各种应急事故照明系统，实际上与电脑用UPS装置的工作原理相类似，都是在交流电源有电时，用交流电源对蓄电池组进行充电，当交流电源失电时，蓄电池组转入工作状态，为紧急照明灯具或系统提供应急电源，保证紧急情况下所需的最低和必要照明亮度。随着照明技术的不断发展，各种采用LED发光器件的照明灯具应运而生，例如，公开日为2014年03月12日，公开号为CN103632621A的中国发明专利申请中，公开了一种“节能型LED事故照明与设备铭牌一体标牌”，其标牌本体为透明导光面板，在透明导光面板上标有设备编号；在透明导光面板周围设置LED发光器件；LED发光器件的出光面朝向透明导光面板；LED发光器件经导线与变电站应急事故照明装置的电源连接。当变电站应急事故照明装置启动后，LED发光器件得电发光，照亮透明导光面板上的设备编号，帮助操作人员对设备编号铭牌标志进行迅速正确的读取，并对标牌所在部位提供事故紧急照明光源。其透明导光面板既可显示设备编号文字，又可作为平面光源照亮周边环境，可避免运行人员的误操作，最大限度的利用了照明能量，使得应急事故照明装置与设备编号铭牌标志两位一体，起到双重作用。变压器噪声是由本体结构设计、选型布局、安装、使用过程中，变压器本体及冷却系统产生的不规则、间歇、连续或随机引起的机械噪声及空气噪声总和。具体来说，变压器本体振动产生的噪声根源在于：(1)硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动；(2)硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力而引起铁芯的振动；(3)当变压器绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的漏磁引起线圈、油箱壁的振动。随着经济的不断发展，煤、石油等化石能源资源因不断消耗而日益减少，世界各国都在大力发展各种可再生能源，希望能够将环境中可以回收利用的能量进行收集和转换。压电振动能量收集器就是实现这一功能的一种器件，它是通过压电材料(通常是压电陶瓷)的“压电效应”，将环境中的各种振动能收集转换为电能。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓“压电效应”是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力像声波振动那样微小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。如果能够利用“压电效应”制备出基于压电振动能量收集器的一种储能充电电路，将变压器的振动能收集储存起来，将压电振动能量收集器与变电站紧急照明和开关应急操作的储能充电电路统相结合，在变电站出现故障时，及时为紧急照明设备供电，既可以实现故障状态下的紧急照明，提高故障抢修效率，保障人身安全和设备安全；又可充分利用变压器的振动能量，变废为宝，有助于节能降耗，降低运行维护工作的成本，其构思的实现和完成，对于变电站的经济运行具有十分重要的意义。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用振动能量收集器的储能充电电路，其将阵列式压电振动能量收集器作为振动能量收集装置，安装、固定在变压器本体或其附件结构的指定位置上，在谐振状态下收集变压器振动产生的能量，用于变电站紧急照明和一次线路开关的应急操作，即可达到了节能降耗的效果，同时又可降低运行成本，提高变电站运行的安全系数。本发明的技术方案是：提供一种采用振动能量收集器的储能充电电路，所述的储能充电电路包括依次连接的压电振动能量收集器组、整流电路、充电电路和蓄电池；所述的压电振动能量收集器组的电能输出端依次经所述的整流电路和充电电路，与所述蓄电池的正/负电极对应连接；通过所述的整流电路，将所述压电振动能量收集器组所收集到的电能转换成稳定/可控的直流电能，经所述的充电电路送入蓄电池中进行能量存储；其特征是：其所述的压电振动能量收集器组设置在变压器本体或变压器的附件结构上，用于在谐振状态下收集变压器振动所产生的能量，并利用“压电效应”将其转换为电能；将所述蓄电池的电源输出端接入变电站的紧急照明系统或直流操作系统中；当变电站的交流站用电源失电时，所述的紧急照明系统通过控制自动控制开关K1的自动闭合，接通所述蓄电池的电源输出端，所述的储能充电电路为LED发光器件提供电源，实现变电站的紧急照明功能；或者，当变电站的直流操作系统电源失电时，通过闭合控制开关K2，所述的储能充电电路为变电站一次线路开关的操作提供应急操作直流电源；其中，所述的谐振状态是指谐振频率为100Hz的振动应用环境；所述的压电振动能量收集器组包括多个压电振动能量收集器，所述的多个压电振动能量收集器固定在至少一个整体框架结构上；所述的整体框架结构与变压器本体或变压器的附件结构固定连接为一体，将所述变压器产生的振动能量，传递至所述的多个压电振动能量收集器；所述的采用振动能量收集器的储能充电电路，将阵列式压电振动能量收集器作为振动能量收集装置，安装、固定在变压器本体或其附件结构的指定位置上，在谐振状态下收集变压器振动产生的能量，用于变电站紧急照明和一次线路开关的应急操作；所述的采用振动能量收集器的储能充电电路，既可以实现故障状态下的紧急照明，又可充分利用变压器的振动能量，同时对变压器还有着减振降噪的功能。具体的，在变压器的喷油管与本体之间的连杆处，设置所述的整体框架结构，在所述整体框架结构上设置所述的压电振动能量收集器组，通过连杆和与其固接为一体的整体框架结构，带动所述的压电振动能量收集器组振动/发电。具体的，所述的压电振动能量收集器为双晶片悬臂梁结构压电振动能量收集器、鼓形结构压电振动能量收集器或铙钹结构压电振动能量收集器。具体的，所述的整流电路为倍压整流电路。具体的，所述变压器的振动基频为100Hz，所述压电振动能量收集器组的谐振频率也为100Hz。其所述的充电电路为限流—恒压快充模式的充电电路，在整个充电过程中，所述蓄电池的电压随时间呈指数形式增加，但电池电流在充电初始阶段为恒流充电阶段，然后随时间呈指数形式减小；在充电之初电池电压较低时用一个较大电流对电池充电，然后充电电流逐渐减小，直至电池充满为止。其所述的蓄电池为锂电池。与现有技术比较，本发明的优点是：1.采用阵列形式设置的多组压电振动能量收集器，将该阵列装置安装固定在变压器上的指定位置，在谐振状态下收集变压器振动产生的能量，用于变电站紧急照明和一次线路开关的应急操作，不仅达到了节能的效果，同时对变压器还有着减振降噪的功能；2.采用能够紧固在振动源上的整体框架结构，将多个压电振动能量收集器组成阵列，固定在框架结构上，以提高其电能输出能力；3.整个储能充电电路统既可以实现故障状态下的紧急照明，又可充分利用变压器的振动能量，变废为宝。附图说明图1是本发明储能充电电路的电路模块示意图；图2是本发明整体框架结构的结构示意图；图3是本发明双晶片悬臂梁结构压电振动能量收集器的结构示意图；图4是本发明铙钹结构压电振动能量收集器的结构示意图；图5是本发明鼓形压电结构振动能量收集器的结构示意图；图6是变压器振动测试点的加速度时域图；图7是变压器振动测试点在频域上的振动特性分布；图8是本发明充电电路实施例的线路图。图中1为压电振动能量收集器，2为整体框架结构，3为振动源，4为质量负荷，5-1为第一压电单晶片，5-2为第二压电单晶片，6为基板，7-1为上金属帽，7-2为下金属帽，8为弛豫铁电单晶片，9为铜环，10-1为上铜片，10-2为下铜片，11为圆形压电单晶片，12为铜块质量负荷，K1为紧急照明系统控制的自动控制开关，K2为控制开关。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。图1中，本发明的技术方案提供了一种采用振动能量收集器的储能充电电路。所述的储能充电电路包括依次连接的压电振动能量收集器组、整流电路、充电电路和蓄电池。在蓄电池电源输出端与充当紧急照明系统发光源的LED发光器件之间，串接有紧急照明系统控制的自动控制开关K1；在蓄电池电源输出端与一次线路开关应急操作电源输入端之间，串接有控制开关K2。其所述的压电振动能量收集器组设置在变压器本体或变压器的附件结构上。所述的压电振动能量收集器组的电能输出端经所述的整流电路、充电电路，与所述蓄电池的正、负电极对应连接。其所述的压电振动能量收集器组，用于在谐振状态下收集变压器振动产生的能量，并利用“压电效应”将其转换为电能。所述的储能充电电路，通过所述的整流电路，将所述压电振动能量收集器组所收集到的电能转换成稳定的、可控制的直流电能，经所述的充电电路送入蓄电池中进行能量存储。将所述蓄电池的电源输出端接入变电站的紧急照明系统或直流操作系统中；当变电站的交流站用电源失电时，所述的紧急照明系统通过控制自动控制开关K1的自动闭合，接通所述蓄电池的电源输出端，所述的储能充电电路为LED发光器件提供电源，实现变电站的紧急照明功能。或者，当变电站的直流操作系统电源失电时，通过闭合控制开关K2，所述的储能充电电路为变电站一次线路开关的操作提供应急操作直流电源。前述的压电振动能量收集器组包括多个压电振动能量收集器，多个压电振动能量收集器被固定在一个整体框架结构上；所述的整体框架结构与所述变压器本体或变压器的附件结构固定连接为一体，将所述变压器产生的振动能量，传递至所述的多个压电振动能量收集器。进一步的，在所述变压器喷油管与本体之间的连杆处，设置所述的整体框架结构，在所述整体框架结构上设置所述的压电振动能量收集器组，通过连杆和与其固接为一体的整体框架结构，带动所述的压电振动能量收集器组振动、发电。具体的，其所述的压电振动能量收集器为双晶片悬臂梁结构压电振动能量收集器、鼓形结构压电振动能量收集器或铙钹结构压电振动能量收集器，上述各种压电振动能量收集器的具体结构可参见后续图3～图5所示及相关文字说明。具体的，所述压电振动能量收集器组所收集到的电能，经过倍压整流电路，转换成稳定的、可控制的直流电能。进一步的，其所述的谐振状态是指谐振频率为100Hz的振动应用环境；其所述变压器的振动基频为100Hz，所述压电振动能量收集器组的谐振频率也为100Hz。其所述的充电电路为限流—恒压快充模式的充电电路，在整个充电过程中，所述蓄电池的电压随时间呈指数形式增加，但电池电流在充电初始阶段为恒流充电阶段，然后随时间呈指数形式减小；在充电之初电池电压较低时用一个较大电流对电池充电，然后充电电流逐渐减小，直至电池充满为止。其所述的蓄电池为锂电池。本发明技术方案所述的储能充电电路统，基于具有“压电效应”的压电振动能量收集器，在谐振状态下收集变压器振动产生的能量，采用蓄电池将变压器的振动能收集储存起来；将蓄电池作为变电站的紧急照明电源或一次线路开关的应急操作电源；在变电站出现故障或其交流站用电源失电时，及时为紧急照明设备供电，或为一次线路开关提供应急操作电源；既可以实现故障状态下的紧急照明，提高故障抢修效率，保障人身安全和设备安全；又可充分利用变压器的振动能量，变废为宝，有助于节能降耗，降低运行/维护工作的成本，达到节能降耗的效果，降低运行成本，提高变电站运行的安全系数。图2中，给出了与变压器本体或变压器的附件结构固定连接为一体的整体框架结构，其为一个带有多个横隔的框架结构2，在每两个横隔之间，固定有多个压电振动能量收集器1，各个多个压电振动能量收集器的一端固定在所述的横隔上，设置有一个质量负荷，当变压器产生的振动能量通过整体框架结构传导至各个压电振动能量收集器时，各个压电振动能量收集器将所接收到的机械振动，转换为电能并输出。所述的多个压电振动能量收集器在电路上为并联结构，一方面可以避免因一个或局部数个压电振动能量收集器的损坏而影响整体电能的输出，另一方面，采用并联结构，可以输出较大的电流，为后续的整流电路或充电电路提供较大的工作电流，以满足蓄电池的充电电流要求。为了获得更大的电能输出，如图所示的整体框架结构可以设置多个，例如，在变压器喷油管与本体之间的连杆处，在连杆的上、下方均对称地设置若干组(相当于偶数个如图所示的整体框架结构)，这样一方面可以尽可能多的设置多个整体框架结构，构成一组阵列结构，另一方面，还涉及到整体框架结构整体部分的谐振频率问题。由于本技术方案中是在谐振状态(指谐振频率为100Hz的振动应用环境)下使得整体框架结构带动所述的压电振动能量收集器组振动、发电，故要选取合适的整体框架结构质量，使得其共振频率与固定整体框架结构处的变压器本体或变压器的附件结构的震动频率相匹配，只有这样，才能使得压电振动能量收集器组处于最佳振动频率，输出最大电能。实际实施时，可先做出一个单层框架，将一定数量的压电振动能量收集器固定在单层框架上(例如，每个单层框架分别安装压电振动能量收集器3行，每行3个，共9个)，再将多个单层框架贯穿起来紧固在一起，即构成阵列式的整体框架结构。通过测试，测得的喷油管与本体连杆的振动加速度在0.4m/s2左右。具体可参见后续图6所示该测试点的加速度时域图。对数据进行傅里叶变换，研究喷油管与本体连杆在频域上的振动特性分布可知，如后续图7所示，该处变压器振动以100Hz频率占比最大。从振动强度和安装难度两方面考虑，选择喷油管与本体的连杆处，作为整体框架结构固定的位置，将带有多个压电振动能量收集器的整体框架结构(称之为发电部分)安装在该连杆上，通过连杆带动发电部分振动发电。由于连杆结构的谐振频率远高于振动源的频率100Hz。将整体框架结构(发电部分)安装在连杆上之后，发电部分作为质量负荷，连杆结构的谐振频率会下降，若谐振频率能降到刚好100Hz，则整体框架结构可以接受到最大强度的振动，换句话说，其可以吸收最大强度的振动。通过有限元仿真模拟和现场实测，对于一个35kV的主变压器，其发电部分总质量为13.6kg；在变压器喷油管与本体之间的连杆位置上，距离本体8.6cm处，为最佳安装位置。图3中，本技术方案的压电振动能量收集器可以采用双晶片悬臂梁结构压电振动能量收集器。双晶片悬臂梁结构压电振动能量收集器的结构是通过在一层基板6(为金属片)的上下表面各粘接一个压电单晶片5-1、5-2(即通常所称的压电层或压电片)组成的，压电单晶片的面积通常和金属片相等或稍小于金属片。实验时双晶片的一端固定在振动源3上随振动源一起振动，另一端粘上不同的质量负荷4。为研究双晶片结构中压电单晶片与金属片的厚度对振动能量收集器发电能力的影响，对相同尺寸的压电片，选用不同厚度的金属铜片，制作了不同的双晶片振动能量收集器。在实验中，选择尺寸为58mm×15mm×0.5mm的PZT陶瓷片(弛豫铁电单晶片)作压电片，金属铜片选用长宽为70mm×17mm、厚度分别为0.2mm、0.5mm的铜片，压电片粘结在铜片中部，一端固定在振动源上时只有铜片被夹持固定。通过实验和测量可知，(1)随质量负荷的增加，双晶片的谐振频率从47Hz到17Hz逐渐降低；(2)最高开路电压从20V逐渐升高到35V，这主要是因为质量负荷的增加使得悬臂梁的振幅逐渐增大，形变量增大，从而开路电压不断提高。通过实验和测量，得到谐振频率固定的压电单晶片悬臂梁式振动能量收集器的一些优化指南：1)相比于梁的宽度w和质量负荷Mt，悬臂梁的谐振频率对长度L和基板厚度tm更加敏感，所以长度L和基板厚度tm在改进悬臂梁的输出性能方面起主导作用。2)要想增加压电层两端的开路电压，可以通过增加基板厚度和降低梁的长度来增加质量负荷，但是，改变宽度，对增加开路电压无效。3)若要增加能量，可以通过增加基板的厚度，降低量的长度以及增加量的宽度的方式来实现。4)当末端的质量负荷保持恒定时，存在一个随长度变化的最佳基板厚度，使得开路电压和能量取得最大值。最终选取悬臂梁长度L＝20mm、宽度w＝5mm、压电片厚度tp＝0.5mm、基板厚度tm＝1mm、质量负荷Mt＝22g。图4中，本技术方案的压电振动能量收集器还可以采用铙钹结构压电振动能量收集器。其铙钹结构压电振动能量收集器的结构由中间的弛豫铁电单晶片8和位于其上、下表面的上金属帽7-1和下金属帽7-2组成。把弛豫铁电单晶片一边的金属帽(铜帽)固定于振动源上之后，在另一边的铜帽上粘结铜块(相当于质量负荷)时，铜帽顶部位移较大的振动模式被抑制，由其阻抗谱可知，随着质量负荷的增加，谐振点向低频方向移动，谐振点所对应的器件输出阻抗增大，故输出功率达最大值所需的外接匹配电阻增大。频率分析：8.5g和17.0g质量负荷下，输出量分别在650Hz和500Hz时出现极大值。负载电阻分析：8.5g和17.0g质量负荷下输出功率分别在外接电阻为57kΩ和74kΩ时达到最大值。输出大小：该铙钹器件在0.55N推动力作用下，输出功率为14mW，功率密度为188mW/cm3。图5中，本技术方案的压电振动能量收集器还可以采用鼓形压电结构振动能量收集器。其鼓形压电结构振动能量收集器由中间的铜环9，位于铜环上、下表面的上铜片10-1、下铜片10-2，在上铜片上再粘结固定一个圆形压电单晶片11(PMNT单晶片)，将鼓形压电结构振动能量收集器的下表面固定在振动源上，在上表面的中心位置粘结固定一个铜块作为质量负载12。实际实施时，在外径23mm、内径21mm、高3mm的铜环上下表面粘上直径25mm、厚0.15mm的上、下铜片，在上铜片上再粘上直径17mm、厚0.5mm的圆形压电单晶片(PMNT单晶片)，将鼓形压电结构振动能量收集器的下表面固定在振动源上，在其上表面的中心位置粘一直径5mm、质量0.5g的铜块作为质量负载。此种鼓形压电结构振动能量收集器结构的谐振频率为710Hz左右，最大输出电压可以达到7V以上。与图3所示双晶片悬臂梁结构压电振动能量收集器的结构相比，该鼓形结构有其特有的优势：一方面，该结构不需要悬臂梁结构的长臂和摆臂所需的空间，只在鼓面上下很小范围内振动，因此工作所需空间比较小，更适合在小空间的振动环境中工作；另一方面，鼓形结构底面较大，可以更好地与振动源粘结固定在一起。图6和图7为变压器的喷油管与本体连杆处测试点的加速度时域图和该测试点在频域上的振动特性分布图，由图可知，变压器喷油管与本体连杆处的振动加速度在0.4m/s2左右，该处变压器振动以100Hz频率占比最大。图8中，本技术方案的充电电路，是根据20世纪美国科学家马斯(J.A.Mas)提出的电池快充三定律，结合压电材料的高阻抗特性进行改进的充电电路，该充电电路是以DC-DC变换器为核心，结合控制电路，克服了发电材料输出的电能的不稳定、不可人为控制的缺点，把振动振动能量收集器上收集到的电能转换为稳定的、可控制的电能供蓄电池充电。根据蓄电池在振动能量收集系统中的充电特性，设计和采用了储能、即时放电和照明的充电策略对有限的电能进行管理。基于Mas的电池快充三定律，对于压电型发电材料，设计了限流-恒压快充模式的充电电路，根据该理论，电池在充电过程中的电压和电流可用下式表示：Vb(s)＝V∞+(V0-V∞)e-αs，式中s表示充电时间，sc表示电池由恒流充电到电流指数衰减充电的时间转折点。由电化充电电池理论可知，sc由下列条件决定：当s＝sc时，电池中存储的电荷通常为电池最大电荷存储量Qm的80％。V0表示电池的最初电压，V∞表示电池的充电限制电压。α为常数，I0表示初始充电阶段的充电电流。由上式分析可知：在整个充电过程中，电池电压将随时间呈指数形式增加，但电池电流在充电初始阶段为恒流充电阶段，然后随时间呈指数形式减小。因此可以预测：在充电之初电池电压较低时用一较大电流对电池充电，后充电电流逐渐减小，直至充满为止。具体的，其充电电路由DC-DC升压芯片、电阻R0～R8、可调电阻RT、电容C1～C6、二极管D1～D4、电感L11和场效应管BGA组成；其中，电源输入端INPUT与DC-DC升压芯片的AVIN管脚连接，该电源输入端还经过二极管D1与DC-DC升压芯片的PVIN管脚连接，该电源输入端同时还经过电阻R2、二极管D2与DC-DC升压芯片的CHC管脚连接，还经过电阻R3、二极管D3与DC-DC升压芯片的EOC管脚连接，并经电容C1接地。DC-DC升压芯片的LVO管脚和NC管脚与电阻R1和电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地，电阻R1的另一端与DC-DC升压芯片的TP管脚连接，电阻R1的另一端同时与可调电阻RT和电阻R0的一端连接，可调电阻RT和电阻R0的另一端接地。DC-DC升压芯片的GND管脚接地。DC-DC升压芯片的ISET管脚经电阻R4接地，DC-DC升压芯片的IEOC管脚经电阻R5接地，DC-DC升压芯片的VAD管脚经电阻R6接地。DC-DC升压芯片的VBAT管脚与电容C3、电容C6、电阻R8的一端，以及蓄电池(图中以电池表示)的正极对应连接，构成系统负载SYSTEMLOAD端，蓄电池的负极接地。电容C3和电容C6的另一端接地。DC-DC升压芯片的DRI管脚与场效应管BGA的栅极G连接，场效应管BGA的源极S与DC-DC升压芯片的PVIN管脚连接，并同时与负载SYSTEMLOAD端连接，场效应管BGA的漏极D与电感L11的一端、二极管D4的负极以及电阻R7的一端同时连接，二极管D4的正极接地，电阻R7的另一端经电容C4接地。电感L11的另一端与DC-DC升压芯片的SNS管脚连接，并同时与电阻R5的另一端连接，还经过电容C5接地。明显地，这是一个电感式场DC-DC升压电路，其中的效应管BGA充当开关管的作用。DC-DC升压芯片可选用LK8811、MAX732或MC34063A等市售产品。采用本发明技术方案的DC-DC升压电路，将压电振动能量收集器组(发电体)所发的电能升压到3V给两节锂电池(350mAh每节)充电，如按照实测的发电体充电电流0.416mA来计算，充满两节锂电池约需70天，可驱动3个60mW的LED白光灯照明约3.88小时。将上述的DC-DC升压电路与蓄电池连接组成一体，即可构成一个DC-DC储能电路。该DC-DC储能电路不仅可以充当采用LED发光器件的变电站紧急照明系统的电源，还可充当一次线路开关的应急操作电源。由于本发明的技术方案采用成阵列结构设置的压电振动能量收集器作为振动能量收集器，将其安装、固定在变压器本体或其附件结构的指定位置上，在谐振状态下收集变压器振动产生的能量，用于变电站紧急照明和一次线路开关的应急操作，既可达到了节能降耗的效果，同时又可降低运行成本，提高变电站运行的安全系数。本发明可广泛用于变电站紧急照明系统或一次线路开关应急操作电源的设计、制造领域。