CN101582599B - 回收振动能量的压电能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回收振动能量的压电能量回收装置，包括能量回收单元、系统接口电路单元和储能单元，能量回收单元包括压电能量单元和压电传感单元，压电能量单元由至少一个贴设在结构表面的第一压电元件组成，压电传感单元由至少一个贴设在结构表面的第二压电元件组成，系统接口电路单元包括ESSH接口电路单元、极值检测单元、初始充电电路单元和电源管理单元。本发明与现有的压电能量回收器相比，在接口电路中采用了ESSH技术，克服了原有串联同步开关电感方法回收功率随负载变化而变化的缺点；功耗低，不仅在振动水平高的环境中回收能量，也可从振动水平低的环境中有效回收能量，在振动能量回收中具有广泛的应用前景。

Description

回收振动能量的压电能量回收装置

一、技术领域

本发明涉及一种能量回收装置，尤其涉及一种利用压电元件对结构振动能量进行回收的装置。

二、背景技术

通常把利用一种系统从周围环境中获取能量并将其转化为可利用的能量的过程叫做能量回收。在过去几年中，涌现出一股研究能量回收的热潮。这类研究的增多要归功与现代无线技术和低功耗电子学中微机电技术的进步。这些技术的进步为能量回收在现实世界中的应用打开了一扇扇的大门。如今，一些研究机构采用了不同的方式进行能量的回收，不同形式的能量回收系统的能量密度在下表中给出。

表不同能量回收系统的能量密度

能量回收系统基于的能源	能量密度
		太阳能电池(户外、午间时分)	15mW/cm2
压电材料(压电鞋)	330μW/cm3
		振动(小型微波炉)	116μW/cm3
热势电(10℃的温度梯度)	40μW/cm3
		噪声(100分贝)	960nW/cm3

其中利用压电材料从周围振动的环境提取有用能量的方法正在被越来越多的研究人员所关注。压电材料具有的晶体结构使其具备将机械应变能转化为电荷的能力，反过来，也具有将施加在自身上的电势能转化为机械应变的能力。这个特性使得压电材料能够吸收周围振动环境的机械能，并转化为电能来维持其它电子器件正常工作。

目前，利用压电材料进行振动能量回收的研究集中在三个方面：材料、结构和接口电路。从提高材料性能角度出发，可以采用单晶压电陶瓷或者多层压电陶瓷，但这些材料制作费用比较昂贵。而把外界的振动能传递到压电材料需要通过一个的共振机械结构，通常采用悬臂梁结构，压电材料贴于一侧，或者两侧。也有采用圆型薄膜组成共振结构的。

在接口电路方面，目前有四种形式：

1.标准接口，系统的电路接口部分由一个二极管全波整流电桥和一个滤波电容所组成，这个电路实质上是一个普通的AC-DC变换电路。

2.同步电荷提取法(SECE技术：synchronous electric charge extraction即同步电荷提取技术)，其基本原理是利用特殊的电路主动提取压电片上电荷，并转移到储能元件中 去。该方法的特点是电荷的提取是与结构的振动同步，因此叫做同步开关电荷提取法。

3.并联同步开关电感回收法(parallel SSHI技术：parallel Synchronized SwitchHarvesting with inductor即并联同步开关电感回收技术)，其基本原理是将全波整流方法与旁路开关电感相结合而产生的新方法，该方法是在压电元件两端并联同步开关电感，同步开关电感在此处的作用是增大压电片的开路输出电压，压电片的能量仍然通过整流电桥和滤波电容等进行回收。

4.串联同步开关电感回收法(series SSHI技术：series Synchronized Switch Harvestingwith inductor即串联同步开关电感回收技术)，其基本原理是将全波整流方法与旁路开关电感相结合而产生的新方法，该方法是在压电元件两端串联同步开关电感，同步开关电感在此处的作用是增大压电片的开路输出电压，压电片的能量仍然通过整流电桥和滤波电容等进行回收。

在以上四种接口电路中，其中标准接口简单可靠，但在相同的结构和材料下，其输出功率较低，而且与后续电路等效负载有关，即只有在最优负载的时候输出功率才能达到最大。同步电荷提取法输出功率与后续电路等效负载无关，即对任意负载的输出功率都是最优的，而且这种方法与标准接口相比，输出的最大功率可以提高4倍。如果接口电路采用并联同步开关电感回收法或串联同步开关电感回收法，并且选择品质因数较高的电感，例如品质因数为6.3，那么与标准接口相比它们回收的最大功率可以提高8倍，但是，它们回收功率也与后续电路等效负载有关，即只有在最优负载的时候回收功率才能达到最大值(标准接口的8倍)。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种高效的压电能量回收器，利用压电材料基于ESSH技术(ESSH技术：Enhanced Synchronized Switch Harvesting即增强型同步开关回收技术)对振动能量进行高效回收，这种接口电路不仅与标准接口相比回收功率极大的提高，同时克服了原有串联同步开关电感方法回收功率随负载变化而变化的缺点，并最终将回收的能量进行储存。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的回收振动能量的压电能量回收装置包括能量回收单元、系统接口电路单元和储能单元，所述的能量回收单元包括压电能量单元和压电传感单元，压电能量单元由至少一个贴设在结构表面的第一压电元件组成，压电传感单元由至少一个贴设在结构表面的第二压电元件组成，第一压电元件和第二压电元件的输入端贴设在结构表面，所述的系统接口电路单元包括ESSH接口电路单元、极值检测单元、初始充电电路单元和电源管理单元，ESSH接口电路单元包括电感、第一、第二、第三、第四二极管、第一、第二开关和第一、第二立即储能电容；第一压电元件的输出端通过电感与第一开关的一端连接，第一开关另一端与第一二极管的正端连接，第一二极管的正端与第三二极管的负端连接；第二二极管负端与第一二极管的负端连接，正端与第四二极管负端连接，第四二极管正端与第三二极管的正端连接；第一立即 储能电容一端与第二二极管负端连接，另一端与第四二极管正端连接；第一压电元件的输入端与第二二极管的正端连接；第二二极管负端与第二开关的一端相连，第二开关的另一端与第二立即储能电容的正端连接，第二立即储能电容的负端与第四二极管正端连接，第二立即储能电容的正端分别与储能单元、初始充电电路和电源管理单元一端连接；电源管理单元另一端依次通过极值检测单元中的极值检测电路、第三开关与第二压电元件的输出端连接，同时第二压电元件的输出端通过常闭开关与初始充电电路连接，初始充电电路的另一端与第二立即储能电容连接；极值检测单元向第一开关输出开关控制信号。

第一开关由第一、第二场效应管组成，第一场效应管的集电极与第三二极管正端连接，发射极接地；第二场效应管的集电极与第四二极管的正端连接，发射极接地；第一、第二场效应管的基极与极值检测单元连接；第二开关由一个P型的第十场效应管、一个N型的第十一场效应管、第十、十一、十二电阻、一个第五电容，一个低功耗的第五电压比较器组成，第十场效应管的集电极与发射极之间接有第五电容，发射极与基极之间接有第十一电阻；第十一场效应管的基极与第五电压比较器的输出端连接，发射极接地；第十电阻第一端与第十场效应管的发射极连接、第二端与第十二电阻第一端连接，第十二电阻另一端接地。

极值检测单元包括一个第三开关，两个低功耗的第一、第二电压比较器、一个低通滤波器和一个幅值处理电路，所述的低通滤波器由一个可调电阻和一个第一电容组成；第一电容一端同时与第一电压比较器的正向输入端和可调电阻一端连接，另一端接地；所述的第三开关由一个N型的第三场效应管组成，第三场效应管的集电极与第二压电元件的输入端连接，第三场效应管的发射极接地，第三场效应管的基极与电源管理单元的输出端连接；所述的幅值处理电路由一个由第一、第二电阻组成的分压电路与一个电压跟随器构成，电压跟随器输出端同时与第一电压比较器的反向输入端和低通滤波器中的可调电阻另一端连接，电压跟随器的正向输入端接入第一、第二电阻之间，第一电阻一端与第二压电元件的输出端连接，另一端通过第二电阻接地；所述的第二电压比较器的负向输入端与第一电压比较器的输出端连接，第二电压比较器的正向输入端接地；第一、第二电压比较器的输出端分别与第一、第二场效应管的基极连接。

初始充电电路单元由一个整流器、一个常闭开关与脉冲充电电路组成；整流器的第一、第二输入端分别与第二压电元件的输入端和输出端连接，整流器的第一输出端与常闭开关连接，第二输出端接地；常闭开关由第四场效应管、第五场效应管、一个第三电阻组成，第四场效应管的集电极与整流器的第一输出端连接，第四场效应管的基极与场第五效应管的集电极连接，第四场效应管的发射极与第二电容的正极连接，发射极与基极之间接有第三电阻；第五场效应管的发射极接地，基极与电源管理单元的输出端连接；脉冲充电电路由第二电容和一个开关单元组成，该开关单元由一个P型的第六场效应管、一个N型的第七场效应管、第四、第五、第六电阻、一个第三电容，一个低功耗的第三 电压比较器组成；第二电容的正极与第六场效应管的发射极连接，负极接地；第六场效应管的基极与第七场效应管的集电极连接，集电极与第二立即储能电容的正端连接，发射极与基极之间接有第六电阻，发射极与集电极之间接有第三电容；第七场效应管的发射极接地，基极与第三电压比较器的输出端连接；第三电压比较器的正向输入端接在相串联的第四电阻第一端、第五电阻第一端之间，第五电阻另一端接地，第四电阻另一端同时与第六场效应管的发射极和第三电容连接。

电源管理单元包括一个低功耗的第四电压比较器，一个P型的第八场效应管，一个第九场效应管、一个低功耗的开关型电源稳压器和一个低功耗的反向电源器，以及第七电阻、第八电阻、第九电阻；第四电压比较器的正向输入端与第八电阻的第一端连接，第八电阻的第一端通过第九电阻接地；第四电压比较器的输出端与极值检测单元中的第三场效应管、初始初电电路中的第五场效应管的基极连接；第八场效应管(Q8)的发射极与第八电阻(R8)的第一端连接，第八场效应管的基极与发射极之间接有第七电阻；第八场效应管的基极与第九场效应管的集电极连接，第九场效应管发射极接地，基极与第四电压比较器的输出端连接；第八场效应管集电极与开关型电源稳压器的一端连接；第八场效应管的集电极通过第四电容接地。

所述的储能单元由一个第五开关、一个DC-DC升压电路和一个电池组成，第五开关由一个P型的第十二场效应管、一个N型的第十三场效应管、第十三、第十四、第十五电阻、一个低功耗的第五电压比较器组成。第二立即储能电容的正极与第十二场效应管的发射极连接，负极接地；第十二场效应管的集电极与第六电容连接，第十二场效应管的基极与第十三场效应管的集电极连接，第十二场效应管的发射极与基极之间接有第十五电阻；第十三场效应管的发射极接地，基极与第五电压比较器的输出端连接；第五电压比较器的正向输入端接在相串联的第十三、第十四电阻之间，第十四电阻另一端接地，第十三电阻另一端与第十二场效应管的发射极连接。当第二立即储能电容超过设定电压值时，低功耗的第六电压比较器立即驱动P型的第十二场效应管，使其向第六电容充电。DC-DC升压电路由低功耗的step-up型DC-DC芯片和第六电容、一个电感组成，将第五开关输出的电能转换成稳定电压对电池充电。

当结构发生振动时，粘贴在结构上的压电元件会感应出相应的电压，其电压与结构振动产生的位移是同相位的，随着位移的变化从极大值缓慢变化到极小值。这时压电片上的极值V_M(without)为

$V_{M\left(\mathrm{without}\right)}=\frac{\mathrm{\α}}{C_0}{u}_M---\left(1\right)$

式中，u_M为位移幅值，C₀是压电元件的受夹电容，α是力因子。

当使用ESSH技术时，其中作为压电能量单元的第一压电元件两端并联电感L、第一开关、同时接由整流电路和第一储能电容组成的电子回路，当结构振动的位移(也即压电元件上产生的电压)达到极大值(或极小值)时，结构振动位移极值检测单元向开 关输出控制信号，回路中的第一开关迅速闭合，由于第一压电元件一般可以等效成一个电容器，那么开关闭合的同时压电元件与回路中的电感将发生LC高频共振，当共振振荡半个周期时迅速断开第一开关，此时第一压电元件上的电压与第一开关闭合前反向，从极值V_M迅速变为V_m，。在电压正负极性反转的过程中，由于有部分电能损耗在电感上，因此反转后的电压与原来相比有一个衰减，衰减的程度与电感的品质因数Q_i有关：

$V_m=V_M{e}^{-\mathrm{\π}/2Q_i}---\left(2\right)$

与此同时，振荡回路上的电能E

$E=\frac{C_1{C}_0}{C_1+C_0}(1+e^{-\mathrm{\π}/2\mathrm{Qi}})V_M---\left(3\right)$

大部分被第一立即储能电容所吸收，这时第二开关S2导通将第一储能电容的电能放到第二立即储能电容里，这时第一立即储能电容的电压立即下降，等待下一次吸收LC振荡回路上的电能E。由于当第一开关断开时，第一压电元件上产生的电压与结构振动的位移同相位，即从V_m下降至另一个极值V_M，这样就推高了压电片上的极值电压V_M。

$V_M=\frac{2}{1-e^{-\mathrm{\π}/2\mathrm{Qi}}}\frac{\mathrm{\α}}{C_0}{u}_M---\left(4\right)$

当结构振动的位移再次达到极值时，再合上第一开关，高频振荡半个周期后断开第一开关。这时振荡回路上再对第一立即储能电容充电，同时第二开关和第一立即储能电容再次组成脉冲充电电路对第二立即储能电容充电。周而复始的控制开关的运动，不仅使得推高了压电元件上产生的电压，也使回收的能量得到极大提高。从式(3)和(4)可以看出，回收能量与Q_i(电感的品质因数)近似成正比。

3、有益效果：

本发明与现有的压电能量回收器相比具有以下优点：

(1)在接口电路中采用了ESSH技术，这种接口电路不仅与标准接口相比回收功率极大的提高，当电感品质因数Q_i为3.7，可以提高4倍(忽略接口电路自身控制电路功耗的情况下)，同时克服了原有串联同步开关电感方法回收功率随负载变化而变化的缺点。

(2)接口电路控制电路功耗很低，同时恒定(控制电路功耗仅为0.201mW)，使得压电能量回收器不仅对振动水平高的环境中回收能量，也可从振动水平低的环境中有效回收能量，在振动能量回收中具有广泛的应用前景。同时，特别在振动水平高的环境中，选择品质因数较高的电感，例如品质因数为3.7，那么与标准接口相比它们回收的最大功率可以提高4倍。

四、附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为系统接口电路原理图；

图3为能量存储电路原理图

图4为ESSH技术原理图；

图5为控制后结构振动位移、电压与速度的关系示意图，其中放大图为半周期的LC高频共振示意图；

图6为回收能量效果比较图(相同振幅下，品质因数Q_i为3.7)，其中图6a为ESSH与其余四种回收接口电路回收能量比较图，其中图6b为在实际(即包括ESSH接口电路自身控制电路功耗)条件下回收能量效果比较图。

五、具体实施方式

如图1、图4所示，本实施例的回收振动能量的压电能量回收装置包括能量回收单元、系统接口电路单元和储能单元，所述的能量回收单元包括压电能量单元和压电传感单元，压电能量单元由至少一个在贴设(或埋入)结构表面的第一压电元件1组成，压电传感单元由至少一个贴设在(或埋入)结构表面的第二压电元件2组成，第一压电元件1和第二压电元件2的输入端贴设在结构表面，所述的系统接口电路单元包括ESSH接口电路单元、极值检测单元、初始充电电路单元和电源管理单元，ESSH接口电路单元包括电感L、第一、第二、第三、第四二极管D1、D2、D3、D4、第一、第二开关S1、S2和第一、第二立即储能电容C1、C5；第一压电元件1的输出端通过电感L与第一开关S1的一端连接，第一开关S1另一端与第一二极管D1的正端连接，第一二极管D1的正端与第三二极管D3的负端连接；第二二极管D2负端与第一二极管D1的负端连接，正端与第四二极管D4负端连接，第四二极管D4正端与第三二极管D3的正端连接；第一立即储能电容C1一端与第二二极管D2负端连接，另一端与第四二极管D4正端连接；第一压电元件1的输入端与第二二极管D2的正端连接；第二二极管D2负端与第二开关S2的一端相连，第二开关S2的另一端与第二立即储能电容C5的正端连接，第二立即储能电容C5的负端与第四二极管D4正端连接，第二立即储能电容C5的正端分别与储能单元、初始充电电路和电源管理单元一端连接；电源管理单元另一端依次通过极值检测单元中的极值检测电路、第三开关S3与第二压电元件2的输出端连接，同时第二压电元件2的输出端通过常闭开关S4与初始充电电路连接，初始充电电路的另一端与第二立即储能电容C5连接；极值检测单元向第一开关S1输出开关控制信号。

如图2所示，第一开关S1由第一、第二场效应管Q1、Q2组成，第一场效应管Q1的集电极与第三二极管D3正端连接，发射极接地；第二场效应管Q2的集电极与第四二极管D4的正端连接，发射极接地；第一、第二场效应管Q1、Q2的基极与极值检测单元连接；第二开关S2由一个P型的第十场效应管Q10、一个N型的第十一场效应管Q11、第十、十一、十二电阻R10、R11、R12、一个第五电容C6，一个低功耗的第五电压比较器U5组成，第十场效应管Q10的集电极与发射极之间接有第五电容C6，发射极与基极之间接有第十一电阻R11；第十一场效应管Q11的基极与第五电压比较器 U5的输出端连接，发射极接地；第十电阻R10第一端与第十场效应管Q10的发射极连接、第二端与第十二电阻R12第一端连接，第十二电阻R12另一端接地。

接口电路单元中，第一、第二立即储能的电容C1、C5和第二开关S2组成了脉冲充电单元，当第一电容C1超过设定电压值时，低功耗的电压比较器U1立即驱动P型的场效应管Q2，使其向储能电容C5充电。

如图2所示，极值检测单元包括一个第三开关S3，两个低功耗的第一、第二电压比较器U1、U2、一个低通滤波器和一个幅值处理电路，所述的低通滤波器由一个可调电阻R16和一个第一电容C2组成；第一电容C2一端同时与第一电压比较器U1的正向输入端和可调电阻R16一端连接，另一端接地；所述的第三开关S3由一个N型的第三场效应管Q3组成，第三场效应管Q3的集电极与第二压电元件2的输入端连接，第三场效应管Q3的发射极接地，第三场效应管Q3的基极与电源管理单元的输出端连接；所述的幅值处理电路由一个由第一、第二电阻R1、R2组成的分压电路与一个电压跟随器U9A构成，电压跟随器U9A输出端同时与第一电压比较器U1的反向输入端和低通滤波器中的可调电阻R16另一端连接，电压跟随器U9A的正向输入端接入第一、第二电阻R1、R2之间，第一电阻R1一端与第二压电元件2的输出端连接，另一端通过第二电阻R2接地；所述的第二电压比较器U2的负向输入端与第一电压比较器U1的输出端连接，第二电压比较器U2的正向输入端接地；第一、第二电压比较器U1、U2的输出端分别与第一、第二场效应管Q1、Q2的基极连接。当结构位移为极小值时，极值检测单元输出信号驱动第一场效应管Q1开启，同时关闭第二场效应管Q2，这时第一压电元件1与回路中的电感L将发生LC高频共振，由于回路中的第二、第三整流二极管D2和D3的作用，振荡半个周期后迅速关断；当结构位移为极大值时，极值检测单元输出信号驱动第二场效应管Q2开启，同时关闭第一场效应管Q1，这时第一压电元件1与回路中的电感L将发生LC高频共振，由于回路中的第一、第四整流二极管D1和D4的作用，振荡半个周期后迅速关断。极值检测单元利用压电传感单元中第二压电片2感应的位移信号，首先对其进行幅值处理，然后对处理后的传感信号分为两路：一路直接输入低功耗的第一电压比较器U1的反向输入端，另一路通过RC无源低通滤波器(RC无源低通滤波器由可调电阻R16和第一电容C2组成)输入低功耗的电压比较器U1的正向输入端，这样利用第一电压比较器U1对两路信号进行比较，从而向能量回收接口电路单元输出能够判断位移极值的方波信号，当位移为极小值时，第一电压比较器U1输出信号驱动第一场效应管Q1开启，同时第二电压比较器U2输出信号第二驱动场效应管Q2关闭；当位移为极大值时，第二电压比较器U2输出信号第二驱动场效应管Q2开启，同时第一电压比较器U1输出信号驱动第一场效应管Q1关闭。

如图2所示，初始充电电路单元由一个整流器D5、一个常闭开关S4与脉冲充电电路组成；整流器D5的第一、第二输入端分别与第二压电元件2的输入端和输出端连接，整流器D5的第一输出端与常闭开关S4连接，第二输出端接地；常闭开关S4由第四场 效应管Q4、第五场效应管Q5、一个第三电阻R3组成，第四场效应管Q4的集电极与整流器D5的第一输出端连接，第四场效应管Q4的基极与场第五效应管Q5的集电极连接，第四场效应管Q4的发射极与第二电容C8的正极连接，发射极与基极之间接有第三电阻R3；第五场效应管Q5的发射极接地，基极与电源管理单元的输出端连接；脉冲充电电路由第二电容C8和一个开关单元组成，该开关单元由一个P型的第六场效应管Q6、一个N型的第七场效应管Q7、第四、第五、第六电阻R4、R5、R6、一个第三电容C7，一个低功耗的第三电压比较器(U3)组成；第二电容(C8)的正极与第六场效应管(Q6)的发射极连接，负极接地；第六场效应管(Q6)的基极与第七场效应管(Q7)的集电极连接，集电极与第二立即储能电容(C5)的正端连接，发射极与基极之间接有第六电阻(R6)，发射极与集电极之间接有第三电容(C7)；第七场效应管(Q7)的发射极接地，基极与第三电压比较器(U3)的输出端连接；第三电压比较器(U3)的正向输入端接在相串联的第四电阻(R4)第一端、第五电阻(R5)第一端之间，第五电阻(R5)另一端接地，第四电阻(R4)另一端同时与第六场效应管(Q6)的发射极和第三电容(C7)连接。当第二电容C8超过设定电压值时，低功耗的第三电压比较器U3立即驱动P型的第六场效应管Q6，使其向第二立即储能电容C5充电。当电源管理单元中的第四电压比较器U4监测到第二立即储能电容C5内的电荷累积到一定程度，即超过设定电压值时，立即向N型的第五场效应管Q5发出信号，进而关断第四场效应管Q4，最终使停止初始充电电路单元工作，开启ESSH接口电路单元和极值检测单元工作。

如图2所示，电源管理单元包括一个低功耗的第四电压比较器U4，一个P型的第八场效应管Q8，一个第九场效应管Q9、一个低功耗的开关型电源稳压器U8和一个低功耗的反向电源器U7，以及第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9；第四电压比较器U4的正向输入端与第八电阻R8的第一端连接，第八电阻R8的第一端通过第九电阻R9接地；第四电压比较器U4的输出端与极值检测单元中的第三场效应管Q3、初始充电电路中的第五场效应管Q5的基极连接；第八场效应管Q8的发射极与第八电阻R8的第一端连接，第八场效应管Q8的基极与发射极之间接有第七电阻R7；第八场效应管Q8的基极与第九场效应管Q9的集电极连接，第九场效应管Q9发射极接地，基极与第四电压比较器U4的输出端连接；第八场效应管Q8集电极与开关型电源稳压器U8的一端连接；第八场效应管Q8的集电极通过第四电容C4接地。当第二立即储能电容C5内的电荷累积到一定程度，即超过设定电压值时，由监测其电压的电压比较器U4向P型的场效应管Q8发出打开信号(同时向极值检测单元发出开启信号和初始充电电路单元关断信号)，使储能电容C5对开关型电源稳压器U8供电，这样电源稳压器U8即可输出稳定的正电源，同时由于反向电源器U7的输入端与稳压器U8的输出端相连，这样反向电源器U7也输出稳定的负电压源。由开关型电源稳压器U8和反向电源器U7输出的稳定正负电源对极值检测单元供电。

如图1、3所示，储能单元由一个第五开关S5、一个DC-DC升压电路和一个电池组成，第五开关S5由一个P型的第十二场效应管Q12、一个N型的第十三场效应管Q13、第十三、第十四、第十五电阻R13、R14、R15、一个低功耗的第六电压比较器U6组成；第二立即储能电容C5的正极与第十二场效应管Q12的发射极连接，负极接地；第十二场效应管Q12的集电极与第六电容C19连接，第十二场效应管Q12的基极与第十三场效应管Q13的集电极连接，第十二场效应管Q12的发射极与基极之间接有第十五电阻R15；第十三场效应管Q13的发射极接地，基极与第六电压比较器U6的输出端连接；第六电压比较器U6的正向输入端接在相串联的第十三、第十四电阻R13、R14之间，第十四电阻R14另一端接地，第十三电阻R13另一端与第十二场效应管Q12的发射极连接。DC-DC升压电路由低功耗的step-up型DC-DC芯片U10和第六电容C19、升压整流电感L1组成，第六电容C19的正极与第十二场效应管Q12的集电极、DC-DC芯片U10的1脚连接，负极接地；第六电容C19的正极与升压整流电感L1的一端连接，升压整流电感L1的另一端与DC-DC芯片U10的5脚连接；DC-DC芯片U10的4脚与升压整流二极管D6的一端连接，二极管D6的另一端通过第十七电阻R17与电池BT1正极连接，负极接地。

如图4、图5、图6所示，其中作为压电能量单元的第一压电元件(PZT)两端并联电感L、开关S1、同时接整流电路D1-D4和储能电容的电子回路，当结构振动的位移(也即压电元件上产生的电压)达到极大值(或极小值)时，结构振动位移极值检测单元向开关输出控制信号，回路中的开关S1迅速闭合，由于第一压电元件一般可以等效成一个电容器，那么开关闭合的同时压电元件与回路中的电感将发生LC高频共振，当共振振荡半个周期时迅速断开开关，此时第一压电元件上的电压与开关闭合前反向，从极值V_M迅速变为V_m。在电压正负极性反转的过程中，由于有部分电能损耗在电感上，因此反转后的电压与原来相比有一个衰减，衰减的程度与电感的品质因数Q_i有关：

$V_m=V_M{e}^{-\mathrm{\π}/2Q_i}---\left(2\right)$

与此同时，振荡回路上的电能E

$E=\frac{C_1{C}_0}{C_1+C_0}(1+e^{-\mathrm{\π}/2\mathrm{Qi}})V_M---\left(3\right)$

大部分被立即储能电容C1所吸收，如图4所示，这时开关S2导通将储能电容C1的电能放到储能电容C5里，这时储能电容C1的电压立即下降，等待下一次吸收LC振荡回路上的电能E。由于当开关断开时，第一压电元件上产生的电压与结构振动的位移同相位，即从V_m下降至另一个极值V_M，这样就推高了压电片上的极值电压V_M。

$V_M=\frac{2}{1-e^{-\mathrm{\π}/2\mathrm{Qi}}}\frac{\mathrm{\α}}{C_0}{u}_M---\left(4\right)$

当结构振动的位移再次达到极值时，再合上开关，高频振荡半个周期后断开开关。 这时振荡回路上再对储能电容C1充电，同时开关S2和立即储能电容C1再次组成脉冲充电电路对储能电容C5充电。周而复始的控制开关的运动，不仅使得推高了压电元件上产生的电压，也使回收的能量得到极大提高。从式(3)和(4)可以看出，回收能量与Q_i近似成正比。

Claims (6)

1.一种回收振动能量的压电能量回收装置，包括能量回收单元、系统接口电路单元和储能单元，所述的能量回收单元包括压电能量单元和压电传感单元，压电能量单元由至少一个贴设在结构表面的第一压电元件(1)组成，压电传感单元由至少一个贴设在结构表面的第二压电元件(2)组成，第一压电元件(1)和第二压电元件(2)的输入端贴设在结构表面，其特征在于，所述的系统接口电路单元包括ESSH接口电路单元、极值检测单元、初始充电电路单元和电源管理单元，ESSH接口电路单元包括电感(L)、第一、第二、第三、第四二极管(D1、D2、D3、D4)、第一、第二开关(S1、S2)和第一、第二立即储能电容(C1、C5)；第一压电元件(1)的输出端通过电感(L)与第一开关(S1)的一端连接，第一开关(S1)另一端与第一二极管(D1)的正端连接，第一二极管(D1)的正端与第三二极管(D3)的负端连接；第二二极管(D2)负端与第一二极管(D1)的负端连接，正端与第四二极管(D4)负端连接，第四二极管(D4)正端与第三二极管(D3)的正端连接；第一立即储能电容(C1)一端与第二二极管(D2)负端连接，另一端与第四二极管(D4)正端连接；第一压电元件(1)的输入端与第二二极管(D2)的正端连接；第二二极管(D2)负端与第二开关(S2)的一端相连，第二开关(S2)的另一端与第二立即储能电容(C5)的正端连接，第二立即储能电容(C5)的负端与第四二极管(D4)正端连接，第二立即储能电容(C5)的正端分别与储能单元一端、初始充电电路单元一端和电源管理单元一端连接；电源管理单元另一端依次通过极值检测单元中的极值检测电路、第三开关(S3)与第二压电元件(2)的输出端连接，同时第二压电元件(2)的输出端通过常闭开关(S4)与初始充电电路单元连接，初始充电电路单元的另一端与第二立即储能电容(C5)连接；极值检测单元向第一开关(S1)输出开关控制信号。

2.如权利要求1所述的回收振动能量的压电能量回收装置，其特征在于，第一开关(S1)由第一、第二场效应管(Q1、Q2)组成，第一场效应管(Q1)的集电极与第三二极管(D3)正端连接，发射极接地；第二场效应管(Q2)的集电极与第四二极管(D4)的正端连接，发射极接地；第一、第二场效应管(Q1、Q2)的基极与极值检测单元连接；第二开关(S2)由一个P型的第十场效应管(Q10)、一个N型的第十一场效应管(Q11)、第十、十一、十二电阻(R10、R11、R12)、一个第五电容(C6)，一个低功耗的第五电压比较器(U5)组成，第十场效应管(Q10)的集电极与发射极之间接有第五电容(C6)，发射极与基极之间接有第十一电阻(R11)；第十一场效应管(Q11)的基极与第五电压比较器(U5)的输出端连接，发射极接地；第十电阻(R10)第一端与第十场效应管(Q10)的发射极连接、第二端与第十二电阻(R12)第一端连接，第十二电阻(R12)第二端接地。 

3.如权利要求1所述的回收振动能量的压电能量回收装置，其特征在于，极值检测单元包括所述第三开关(S3)，低功耗的第一、第二电压比较器(U1、U2)、一个低通滤波器和一个幅值处理电路，所述的低通滤波器由一个可调电阻(R16)和一个第一电容(C2)组成；第一电容(C2)一端同时与第一电压比较器(U1)的正向输入端和可调电阻(R16)一端连接，另一端接地；所述的第三开关(S3)由一个N型的第三场效应管(Q3)组成，第三场效应管(Q3)的集电极与第二压电元件(2)的输入端连接，第三场效应管(Q3)的发射极接地，第三场效应管(Q3)的基极与电源管理单元的输出端连接；所述的幅值处理电路由一个由第一、第二电阻(R1、R2)组成的分压电路与一个电压跟随器(U9A)构成，电压跟随器(U9A)输出端同时与第一电压比较器(U1)的反向输入端和低通滤波器中的可调电阻(R16)另一端连接，电压跟随器(U9A)的正向输入端接入第一、第二电阻(R1、R2)之间，第一电阻(R1)一端与第二压电元件(2)的输出端连接，另一端通过第二电阻(R2)接地；所述的第二电压比较器(U2)的负向输入端与第一电压比较器(U1)的输出端连接，第二电压比较器(U2)的正向输入端接地；第一、第二电压比较器(U1、U2)的输出端分别与第一、第二场效应管(Q1、Q2)的基极连接。

4.如权利要求1所述的回收振动能量的压电能量回收装置，其特征在于，初始充电电路单元由一个整流器(D5)、所述常闭开关(S4)与脉冲充电电路组成；整流器(D5)的第一、第二输入端分别与第二压电元件(2)的输入端和输出端连接，整流器(D5)的第一输出端与常闭开关(S4)连接，第二输出端接地；常闭开关(S4)由第四场效应管(Q4)、第五场效应管(Q5)、一个第三电阻(R3)组成，第四场效应管(Q4)的集电极与整流器(D5)的第一输出端连接，第四场效应管(Q4)的基极与场第五效应管(Q5)的集电极连接，第四场效应管(Q4)的发射极与第二电容(C8)的正极连接，发射极与基极之间接有第三电阻(R3)；第五场效应管(Q5)的发射极接地，基极与电源管理单元的输出端连接；脉冲充电电路由第二电容(C8)和一个开关单元组成，该开关单元由一个P型的第六场效应管(Q6)、一个N型的第七场效应管(Q7)、第四、第五、第六电阻(R4、R5、R6)、一个第三电容(C7)，一个低功耗的第三电压比较器(U3)组成；第二电容(C8)的正极与第六场效应管(Q6)的发射极连接，负极接地；第六场效应管(Q6)的基极与第七场效应管(Q7)的集电极连接，集电极与第二立即储能电容(C5)的正端连接，发射极与基极之间接有第六电阻(R6)，发射极与集电极之间接有第三电容(C7)；第七场效应管(Q7)的发射极接地，基极与第三电压比较器(U3)的输出端连接；第三电压比较器(U3)的正向输入端接在相串联的第四电阻(R4)第一端、第五电阻(R5)第一端之间，第五电阻(R5)第二端接地，第四电阻(R4)第二端同时与第六场效应管(Q6)的发射极和第三电容(C7)连接。

5.如权利要求1或3或4所述的回收振动能量的压电能量回收装置，其特征在于，电源管理单元包括一个低功耗的第四电压比较器(U4)，一个P型的第八场效应管(Q8)， 一个第九场效应管(Q9)、一个低功耗的开关型电源稳压器(U8)和一个低功耗的反向电源器(U7)，以及第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)；第四电压比较器(U4)的正向输入端与第八电阻(R8)的第一端连接，第八电阻(R8)的第二端通过第九电阻(R9)接地；第四电压比较器(U4)的输出端与极值检测单元中的第三场效应管(Q3)的基极、初始充电电路单元中的第五场效应管(Q5)的基极连接；第八场效应管(Q8)的发射极与第八电阻(R8)的第一端连接，第八场效应管(Q8)的基极与发射极之间接有第七电阻(R7)；第八场效应管(Q8)的基极与第九场效应管(Q9)的集电极连接，第九场效应管(Q9)发射极接地，基极与第四电压比较器(U4)的输出端连接；第八场效应管(Q8)集电极与开关型电源稳压器(U8)的一端连接；第八场效应管(Q8)的集电极通过第四电容(C4)接地。

6.如权利要求1所述的回收振动能量的压电能量回收装置，其特征在于，所述的储能单元由一个第五开关(S5)、一个DC-DC升压电路和一个电池组成，第五开关(S5)由一个P型的第十二场效应管(Q12)、一个N型的第十三场效应管(Q13)、第十三、第十四、第十五电阻(R13、R14、R15)、一个低功耗的第六电压比较器(U6)组成；第二立即储能电容(C5)的正极与第十二场效应管(Q12)的发射极连接，负极接地；第十二场效应管(Q12)的集电极与第六电容(C19)连接，第十二场效应管(Q12)的基极与第十三场效应管(Q13)的集电极连接，第十二场效应管(Q12)的发射极与基极之间接有第十五电阻(R15)；第十三场效应管(Q13)的发射极接地，基极与第六电压比较器(U6)的输出端连接；第六电压比较器(U6)的正向输入端接在相串联的第十三、第十四电阻(R13、R14)之间，第十三电阻(R13)的一端与第十四电阻(R14)的一端相连，第十四电阻(R14)另一端接地，第十三电阻(R13)另一端与第十二场效应管(Q12)的发射极连接，DC-DC升压电路由低功耗的step-up型DC-DC芯片(U10)和第六电容(C19)、升压整流电感(L1)组成，第六电容(C19)的正极与第十二场效应管(Q12)的集电极、DC-DC芯片(U10)的1脚连接，负极接地；第六电容(C19)的正极与升压整流电感(L1)的一端连接，升压整流电感(L1)的另一端与DC-DC芯片(U10)的5脚连接；DC-DC芯片(U10)的4脚与升压整流二极管(D6)的一端连接，升压整流二极管(D6)的另一端通过第十七电阻(R17)与电池(BT1)正极连接，电池(BT1)负极接地。 

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