一种谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法与流程

本发明涉及振动压电发电技术领域，具体是一种谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法。

背景技术：

在诸多环境能量形式中，振动在自然界中普遍存在，因此振动能量收集是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自供电技术。与电磁式、静电式等其它振动能转换机理相比，压发电具有较高的力-电耦合效应和能量密度、无电磁干扰以及易于微小化集成等突出优点，得到了广泛关注和应用研究。但是，压电发电机输出的是大电压、高阻抗、小电流的交流电，不能直接为低功耗电子设备负载供电，需要在压电发电机和电负载之间放置接口电路，将交流电转化为直流电(ac-dc转换)，而在ac-dc转换过程中，其转换效率与接口电路密切相关，必须进行优化设计。

最简单的ac-dc转换电路是传统的桥式整流接口电路，但它的缺点是仅当负载阻抗与压电发电机输出阻抗满足阻抗匹配时，负载上才能获取最大的能量，否则负载获取的电能会急剧减小。但实际中，压电发电机的输出阻抗很高，同时低功耗电子设备阻抗往往也不是一个常数，故阻抗匹配难以实现，导致能量转换效率低。针对传统桥式整流接口电路电能转换效率低下的问题，人们提出了基于同步开关的非线性整流接口电路，即sshi电路，它的基本思想是在传统桥式整流接口电路中加入一个开关和电感，当压电振子到达最大振幅时压电材料内部累积电荷最多，此时开关瞬间闭合使电感与压电材料的寄生电容形成l-c振荡回路将累积电荷提取出来，从而可以提高ac-dc的转换效率。根据开关的位置不同，sshi电路又分为两大类：一类是开关放置在整流桥后面，称之为同步电荷提取电路；另一类是开关放置在整流桥前面，称之为同步开关电路。

如专利号为cn201520926035.8中公开了一种宽频带压电发电用非线性接口电路，电路包括电子开关电路、桥式整流电路、电压控制电路和dc-dc转换电路共四个组成单元，且它们依次电连接；cn201810871127.9公开了一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，包括桥式整流电路、峰值检测电路、低时延分压电路、自供电开关电路和电荷提取电路共五个组成单元，且它们依次电连接。与同步开关电路相比，同步电荷提取电路最大的优点是其ac-dc转换效率与负载无关，有效解决了传统桥式整流接口电路面临的阻抗匹配问题，但是它的转换效率比同步开关电路一般要低。

对同步电荷提取压电发电系统来说，最关键的是如何进一步提高它的ac-dc转换效率，进而提高系统的电能转换效率，为此有必要设计一种新型的谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法。

技术实现要素：

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法，在已有同步电荷提取压电发电系统中加入了一个谐振电感，并通过对该谐振电感进行优化设计，主要用于解决现有同步电荷提取压电发电系统的电能转换效率不高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种谐振式压电发电系统，包括依次串联电连接的压电发电机、谐振电感l、桥式整流电路、自供电开关电路以及电荷提取电路，其中，

压电发电机，等效为一个电流源ieq(t)及其寄生电容cp的并联电路，用于将振动能转化为电能；

谐振电感l，位于所述压电发电机与桥式整流电路之间，用于与所述压电发电机配合产生电谐振；

桥式整流电路，位于所述谐振电感l与自供电开关电路之间，用于将所述压电发电机产生的交流电转化为直流电；

自供电开关电路，位于所述桥式整流电路与电荷提取电路之间，在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作；

电荷提取电路，用于拾取所述压电发电机产生的电能并为负载rl供电。

进一步的，所述桥式整流电路包括至少四个彼此桥式电连接的二极管d1、d2、d3、d4以及输入端口一、输入端口二；所述输入端口一和输入端口二分别外接所述压电发电机的输出端，所述输入端口一和输入端口二处的输入电压等于所述压电发电机两端的电压。

进一步的，所述自供电开关电路4包括二极管d5、电容c1、三极管t1以及三极管t2；所述二极管d5的负极分别与三极管t1的发射极、电容c1的一端相连接，所述二极管d5的正极分别与三极管t1的基极、三极管t2的集电极相连接，所述三极管t2的基极与三极管t1的集电极相连接。

进一步的，所述电荷提取电路包括电感l1、二极管d6、电容c2以及负载rl；所述电感l1一端与所述三极管t2的发射极相连接、另一端分别与所述电容c1另一端、二极管d6的正极相连接，所述二极管d6的负极连接电容c2和负载rl，所述电容c2和负载rl相互并联且另一端均连接到三极管t2的发射极。

进一步的，所述二极管d1、d2、d3、d4为导通压降小于0.7伏的肖特基二极管。

进一步的，所述压电发电机每半个工作周期内，所述自供电开关电路始终处于断开状态。

进一步的，所述压电发电机为矩形、圆形、椭圆形、多边形、梯形中的任意一种形状。

进一步的，所述压电发电机由压电材料和弹性基体组成。

进一步的，所述压电材料为锆钛酸铅压电材料、压电复合材料或聚偏氟乙烯压电材料中的任意一种材料制作而成，所述弹性基体为铝基体或铜基体。

本发明还提供一种谐振式压电发电系统的谐振电感优化方法，包括以下步骤：

步骤一，将所述压电发电机等效为一个电流源ieq(t)及其寄生电容cp的并联电路并建立等效模型；

步骤二，将步骤一获得的等效模型与所述谐振电感l、桥式整流电路、自供电开关电路和电荷提取电路依次串联电连接形成谐振式压电发电系统的整体电路；

步骤三，根据基尔霍夫定理建立关于压电发电机输出电压的二阶微分方程，求解得到压电发电机输出电压的数学表达式；

步骤四，将步骤三获得的数学表达式中取时间t＝t/2，t是压电发电机的振动周期，得到压电发电机输出电压幅值的数学表达式；

步骤五，将压电发电机输出电压幅值看作是一个关于谐振电感的非线性函数，采用优化方法计算出最优谐振电感值，使得压电发电机输出电压幅值最大。

进一步的，所述优化方法采用梯度下降法非线性函数优化方法。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

一、本发明提供的谐振式压电发电系统的自供电开关电路在压电发电机产生的电能供给下实现自动闭合和断开，实现本发明系统的自动化控制；在电荷提取电路中加入谐振电感，并通过对该谐振电感进行优化设计，可以获得最优的谐振电感值，大大提高传统同步电荷提取电路的电能转换效率。

二、本发明提供的谐振式压电发电系统的谐振电感优化方法可以获得最优的谐振电感值，采用的最优谐振电感能大幅提升压电发电机的输出电压，提高了传统同步电荷提取电路对压电发电的ac-dc转换效率，实现高效的振动压电发电，进而提高了系统的电能转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明所述谐振式压电发电系统的结构示意图；

图2是本发明所述压电发电机的等效电路示意图；

图3是本发明所述谐振式压电发电系统的整体电路图；

图4是接入谐振电感时的压电发电机输出电压的波形图；

图5是未接入谐振电感时的压电发电机输出电压的波形图；

图6是本发明所述谐振式压电发电系统的谐振电感优化方法的流程图；

1、压电发电机；2、谐振电感l；3、桥式整流电路；4、自供电开关电路；5、电荷提取电路；11、电流源ieq(t)；12、寄生电容cp；31、二极管d1、d2、d3、d4；32、输入端口一；33、输入端口二；41、二极管d5；42、电容c1；43、三极管t1；44、三极管t2；51、电感l1；52、二极管d6；53、电容c2；54、负载rl。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1所示的一种谐振式压电发电系统，包括依次串联电连接的压电发电机1、谐振电感l、桥式整流电路3、自供电开关电路4和电荷提取电路5，各个部分串联电连接后形成谐振式压电发电系统的整体电路，其中，

压电发电机1，如图2所示，在本实施例中，等效为一个电流源ieq(t)11及其寄生电容cp12的并联电路，用于将振动能转化为电能；

谐振电感l，位于所述压电发电机1与桥式整流电路3之间，用于与所述压电发电机1配合产生电谐振；

桥式整流电路3，位于所述谐振电感l与自供电开关电路4之间，用于将所述压电发电机1产生的交流电转化为直流电，包括至少四个彼此桥式电连接的二极管d1、d2、d3、d431和输入端口一32、输入端口二33，在本实施例中，所述二极管d1、d2、d3、d431为导通压降小于0.7伏的肖特基二极管；所述输入端口一32和输入端口二33分别外接所述压电发电机1的输出端，所述输入端口一32和输入端口二33处的输入电压等于所述压电发电机1两端的电压；

自供电开关电路4，位于所述桥式整流电路3与电荷提取电路5之间，在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作；在本实施例中，自供电开关电路4所用电能由压电发电机1产生，无需外部提供电能；所述自供电开关电路4在无需外部控制信号的情况下实现闭合或断开动作，其包括二极管d541、电容c142、三极管t143和三极管t244，所述二极管d541的负极分别与三极管t143的发射极、电容c142的一端相连接，所述二极管d541的正极分别与三极管t143的基极、三极管t244的集电极相连接，所述三极管t244的基极与三极管t143的集电极相连接；

电荷提取电路5，用于拾取所述压电发电机1产生的电能为负载rl供电，其包括电感l151、二极管d652、电容c253和负载rl54，所述电感l151一端与所述三极管t244的发射极相连接、另一端分别与所述电容c142另一端、二极管d652的正极相连接，所述二极管d652的负极连接电容c253和负载rl54，所述电容c253和负载rl54相互并联且另一端均连接到三极管t244的发射极。

作为优选，所述压电发电机1可以为任意形状，如矩形、圆形、椭圆形、多边形、梯形中的任意一种；其由压电材料和弹性基体组成，更具体的，所述压电材料为锆钛酸铅压电材料、压电复合材料或聚偏氟乙烯压电材料中的任意一种材料制作而成，所述弹性基体为铝基体或铜基体。

本发明所述系统的具体工作流程和原理：

1)时间从在0到半周期时间内，自供电开关电路4为断开状态，电流源ieq(t)11对寄生电容cp12和电容c142进行充电，使得它们两端电压不断增加，同时谐振电感l与寄生电容cp12产生谐振(电容c142可以忽略)，可以大大提高半周期时刻寄生电容cp12两端电压的幅值；

2)在半周期时刻，自供电开关电路4导通，寄生电容cp12和电感l151发生lc振荡，电荷从寄生电容cp12中转移到电感l151中；

3)在半周期到一个周期时间内，自供电开关电路4断开，电感l151和电容c1发生振荡，同时由于二极管d652反向截止，最终能量全部转移到负载rl进行供电；

4)在半周期到一个周期时间内，电流源ieq(t)11电流翻转，寄生电容cp12和电容c253反向充电，后续重复1)、2)、3)过程。

具体使用说明：本发明的谐振式压电发电系统如图1所示，其中，c1＝40μf，l1＝0.2mh，c2＝50μf，rl＝100kω，ieq(t)＝0.001a，ω＝400π，d1～d6均采用低导通压降的肖特基二极管(vd＝0.6伏)，t1,t2采用低导通电压的三极管(此处的低导通电压是指导通电压＜1.0伏)；压电材料采用压电陶瓷pzt-5h片，基体材料为铝；压电发电结构形状为矩形，实际测得其等效电容cp＝62μf，优化得到最优电感为l＝1h，最后接入谐振电感时的压电发电机1的输出电压如图4所示，而未接谐振电感时的压电发电机1的输出电压如图5所示，可以看出接入谐振电感后压电发电机1输出电压幅值明显高于现有技术中电路，说明本发明提供的谐振式压电发电系统可以有效的提高压电发电机的电能转化率。

实施例二

如图6所示的一种谐振式压电发电系统的谐振电感优化方法，包括以下步骤：

步骤一，压电发电机等效建模：将所述压电发电机1等效为一个电流源ieq(t)11及其寄生电容cp12的并联电路并建立等效模型，寄生电容cp两端电压为vp(t)；

步骤二，形成压电发电系统的整体电路：将步骤一获得的等效模型与所述谐振电感l、桥式整流电路3、自供电开关电路4和电荷提取电路5依次串联电连接形成谐振式压电发电系统的整体电路；压电发电机1每半个工作周期内，自供电开关电路4始终是断开的，此时上述整体电路可以简化为电感l1、寄生电容cp和电容c1的并联；

步骤三，求解得到压电发电机1输出电压：根据基尔霍夫定理建立关于压电发电机1输出电压vp(t)的二阶微分方程，从而求解得到压电发电机1输出电压vp(t)的数学表达式；

步骤四，得到压电发电机1输出电压幅值：将步骤三获得的压电发电机1输出电压vp(t)的数学表达式中取时间t＝t/2，t是压电发电机1的振动周期，得到压电发电机1输出电压幅值的数学表达式；

步骤五，计算出最优谐振电感值：将压电发电机1输出电压幅值看作是一个关于谐振电感的非线性函数，采用优化方法计算出最优谐振电感值，使得压电发电机输出电压幅值最大；在本实施例中，所述优化方法为梯度下降法非线性函数优化方法。

具体计算和说明如下：

1)为便于阐述，假设振动源为正弦激励形式，压电发电机1可以等效为由电流源和寄生电容cp12构成的并联电路，如图2所示，其中ω＝2π/t是振动角频率，是初始相位；

2)将压电发电机1的等效电路与谐振电感l、桥式整流电路3、自供电开关电路4和电荷提取电路5依次串联电连接，建立谐振式同步电荷提取压电发电系统的整体电路，如图3所示。

以一个振动正半周期为例，压电发电机1振动位移从平衡位置增加到峰值再回到平衡位置，自供电开关电路4在正半周期内绝大部分时间是断开的。在半个周期内寄生电容cp12和电容c142完成充电到放电过程，寄生电容cp12和电容c142并联后的总电容为：

c＝c1+cp(1)

设经过寄生电容cp12和谐振电感l的电流分别为ic(t)和il(t)，压电发电机1两端，也就是寄生电容cp两端的电压为vp(t)，则有

同理，谐振电感l两端电压和电流关系如式(3)所示：

根据基尔霍夫电流定律可得：

将式(3)和式(4)代入到式(2)中，可得微分方程：

求解微分方程可得解为：

其中，c1、c2为任意常数。

代入边界条件，可求得式(6)中未知数，边界条件为：

vp(0)＝0(7)

将式(7)和式(8)带入式(6)中，可求得:

为简化计算，令：

则式(6)可化简为：

求导后可得：

将式(9)代入到式(15)可得：

经整理后可得：

由式(17)可进一步得到和

将式(18)和式(19)代入到式(14)可得到cp两端电压表达式，如式(20)所示：

3)在式(21)中取t＝π/ω，可以得到vp(t)的幅值为：

进一步记λ＝ω0/ω，则式(21)转化为：

4)当ω给定时，由式(22)可知，是关于λ的非线性函数，进一步也是谐振电感l的非线性函数，采用传统的梯度下降法等优化方法可以求解，结果表明当λ＝1时值最大，此时有

本发明提供的谐振式压电发电系统的谐振电感优化方法可以获得最优的谐振电感值，采用的最优谐振电感能大幅提升压电发电机的输出电压，提高了传统同步电荷提取电路对压电发电的ac-dc转换效率，实现高效的振动压电发电，进而提高了系统的电能转换效率；同时，该系统的电能转换效率与负载无关。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。