一種振動(dòng)能量回收接口電路及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種振動(dòng)能量回收接口電路，用于從隨振源振動(dòng)的壓電元件中提取電能供負(fù)載使用，屬于節(jié)能【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明振動(dòng)能量回收接口電路中，壓電元件與一個(gè)開關(guān)、一個(gè)電感以及倍壓整流電路依次串聯(lián)連接，再與升壓降壓轉(zhuǎn)換器、外接負(fù)載并聯(lián)連接。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的接口電路具有與SECE接口電路相似的能量回收功率與負(fù)載無(wú)關(guān)的特性，但同時(shí)能量回收功率又大于SECE接口電路；其次，本發(fā)明的接口電路將現(xiàn)有的全波整流方式變成了倍壓整流方式，降低了接口電路的整體功耗。
【專利說(shuō)明】一種振動(dòng)能量回收接口電路及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種振動(dòng)能量回收接口電路，用于從隨振源振動(dòng)的壓電元件中提取電 能供負(fù)載使用，屬于節(jié)能【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 將無(wú)線微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入到機(jī)器或結(jié)構(gòu)中，對(duì)它們的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)，可應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、車輛、建筑物、橋梁和工業(yè)設(shè)備等的安全及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。目前，大 部分無(wú)線傳感器是采用電池供電的，運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就需要更換 大量的電池，一方面使用成本高，另一方面大量的廢棄電池對(duì)環(huán)境也會(huì)造成一定的污染。所 以，開展新的無(wú)線供能技術(shù)的研究己成為當(dāng)務(wù)之急。
[0003] 基于壓電效應(yīng)的振動(dòng)能量回收系統(tǒng)是將自然界廣泛存在的機(jī)械振動(dòng)能通過(guò)壓電 片轉(zhuǎn)換為電能，該能量回收系統(tǒng)具有輸出功率大、對(duì)電子器件不產(chǎn)生電磁干擾、體積小、 易于器件的小型化等優(yōu)點(diǎn)。目前，基于壓電效應(yīng)的能量回收系統(tǒng)的研究工作在國(guó)內(nèi)外均 處于探索階段，尚有大量的理論和試驗(yàn)問(wèn)題需要解決，高效實(shí)用的能量回收接口電路在 目前的專利和文獻(xiàn)中也較少，常見的接口電路有標(biāo)準(zhǔn)接口、SECE (Synchronous Electric Charge Extraction，同步電荷提?。┙涌凇arallel-SSHI (Parallel-Synchronous Switch Harvesting Inductor，并聯(lián)同步開關(guān)電感）接口、Series-SSHI (Series-Synchronous Switch Harvesting Inductor,串聯(lián)同步開關(guān)電感）接口。標(biāo)準(zhǔn)接口電路簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)， 但回收功率低并且會(huì)隨負(fù)載變化而變化；SECE接口電路的回收功率在理論上是標(biāo)準(zhǔn)接口 的四倍且不會(huì)隨負(fù)載變化；Parallel-SSH和Series-SSHI接口電路的回收功率較SECE接 口更大，但會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。這些接口電路尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足能量回收系統(tǒng)的需要，仍 然需要不斷研究和開發(fā)高效實(shí)用的接口電路。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種壓電式的振動(dòng)能量 回收接口電路，能量回收功率不會(huì)隨負(fù)載變化而變化，且具有更高的能量回收功率。
[0005] 本發(fā)明的振動(dòng)能量回收接口電路，用于從隨振源振動(dòng)的壓電元件中提取電能供負(fù) 載使用，該接口電路包括：第一開關(guān)、第二開關(guān)、第一電感、第二電感、第一中間電容、第二中 間電容、濾波電容、第一?第三二極管，以及兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，第一中間電容與第 二中間電容的電容值相同；第一二極管、第一中間電容、第二中間電容、第二二極管依次首 尾相連構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，且第一二極管與第二二極管在該環(huán)路中的方向相同；第一二級(jí)管與 第二二極管之間的結(jié)點(diǎn)依次串聯(lián)第一電感、第一開關(guān)后與一個(gè)輸入端連接，第一中間電容 與第二中間電容之間的結(jié)點(diǎn)與另一個(gè)輸入端連接，第一二極管與第一電容之間的結(jié)點(diǎn)、第 二電感的其中一端、濾波電容的一端與一個(gè)輸出端共連接，第二二極管與第二中間電容之 間的結(jié)點(diǎn)和第二電感另外一端通過(guò)第二開關(guān)連接，濾波電容的另一端與另外一個(gè)輸出端通 過(guò)公共結(jié)點(diǎn)連接，第三二極管連接于公共結(jié)點(diǎn)和第二電感另外一端之間且其方向與第二二 極管的方向相反。
[0006] 優(yōu)選地，所述第一電感的電感值滿足以下條件：由第一電感、所述壓電元件的受夾 電容、第一中間電容/第二中間電容串聯(lián)構(gòu)成的IX振蕩電路的振蕩周期小于所述振源振動(dòng) 周期的二十分之一。
[0007] 優(yōu)選地，所述第一中間電容和第二中間電容的電容值C滿足以下條件：
[0008] C = (3 r〇)C。， 2-2f0
[0009] 其中，Q為所述壓電元件的受夾電容值，Y(l為由第一電感、所述壓電元件的受夾 電容、第一中間電容/第二中間電容串聯(lián)構(gòu)成的IX振蕩電路的翻轉(zhuǎn)系數(shù)。
[0010] 優(yōu)選地，所述濾波電容的電容值與所述負(fù)載的等效電阻值的乘積大于所述振源振 動(dòng)周期的五倍。
[0011] 如上所述振動(dòng)能量回收接口電路的控制方法，在每個(gè)振動(dòng)周期中按照以下方式控 制第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)：當(dāng)所述壓電元件的振動(dòng)位移達(dá)到最大值時(shí)，令第一開 關(guān)導(dǎo)通，第二開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)通過(guò)第一中間電容的電流降為0時(shí)，令第一開關(guān)關(guān)斷，第二開關(guān) 導(dǎo)通；當(dāng)通過(guò)第二電感的電流達(dá)到最大值時(shí)，令第一開關(guān)關(guān)斷，第二開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)所述壓電 元件的振動(dòng)位移達(dá)到負(fù)的最大值時(shí)，令第一開關(guān)導(dǎo)通，第二開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)通過(guò)第二中間電容 的電流降為0時(shí)，令第一開關(guān)關(guān)斷，第二開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)通過(guò)第二電感的電流達(dá)到最大值時(shí)， 令第一開關(guān)關(guān)斷，第二開關(guān)關(guān)斷。
[0012] 本發(fā)明提出了一種全新的壓電式能量回收接口電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于其采用雙中間 電容的倍壓整流，因此可稱之為雙中間電容（Double Intermediate Capacitor Harvesting Interface，簡(jiǎn)稱DICH)接口電路。本發(fā)明的DICH接口電路相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效 果：
[0013] 首先，本發(fā)明的DICH接口電路具有與SECE接口電路相似的能量回收功率與負(fù)載 無(wú)關(guān)的特性，但同時(shí)能量回收功率又大于SECE接口電路；
[0014] 其次，本發(fā)明的DICH接口電路將現(xiàn)有的全波整流方式變成了倍壓整流方式，降低 了接口電路的整體功耗。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是DICH接口電路原理圖；
[0016] 圖2是DICH接口電路的壓電片兩端、中間電容兩端電壓和各階段電流波形圖；圖 中u為機(jī)械振動(dòng)位移，V ra為壓電片兩端的電壓，L為第⑴階段電路的電流，Va、為中 間電容Ci、C2兩端的電壓，1 2、13分別為第⑵和第（3)階段電路的電流；
[0017] 圖3是恒定激振位移情況下，標(biāo)準(zhǔn)接口、SECE、串聯(lián)-SSHI、并聯(lián)-SSHI和DICH接 口電路的回收功率P與負(fù)載R間的理論關(guān)系圖；
[0018] 圖4是DICH接口電路的仿真電路圖；
[0019] 圖5是運(yùn)用電子仿真軟件Multisim得到的標(biāo)準(zhǔn)接口、SECE接口、串聯(lián)-SSHI接口、 并聯(lián)-SSHI接口和DICH接口電路回收功率P與負(fù)載R關(guān)系的仿真結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0021] 圖1顯示了本發(fā)明的DICH接口電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示，該接口電路包括： 開關(guān)Sp S2，電感Lp L2，二極管0^ D2，中間電容Cp C2，續(xù)流二極管D3、濾波電容Cr，圖中的 CpR分別表示壓電片和外接負(fù)載。從圖中可以看出，二極管01、仏和中間電容組成了 一個(gè)倍壓整流電路，電感L 2、開關(guān)S2、續(xù)流二極管D3、濾波電容Cr組成了升壓降壓轉(zhuǎn)換器；壓 電片Q、開關(guān)Si、電感U與倍壓整流電路串聯(lián)連接，再與升壓降壓轉(zhuǎn)換器、外接負(fù)載R并聯(lián) 連接。其中，中間電容Ci、C 2的電容值大小相同。二極管Di、D2#及續(xù)流二極管03的方向也 可以整體反向，效果不變。
[0022] 在每個(gè)振動(dòng)周期中按照以下方式控制開關(guān)Si和S2的開關(guān)狀態(tài)：當(dāng)壓電片Q的振 動(dòng)位移達(dá)到最大值時(shí)，令開關(guān)Si導(dǎo)通，開關(guān)S 2關(guān)斷；當(dāng)通過(guò)中間電容q的電流降為0時(shí)，令 開關(guān)Si關(guān)斷，開關(guān)S2導(dǎo)通；當(dāng)通過(guò)電感L 2的電流達(dá)到最大值時(shí)，令開關(guān)Si關(guān)斷，開關(guān)S2關(guān) 斷；當(dāng)壓電片Q的振動(dòng)位移達(dá)到負(fù)的最大值時(shí)，令開關(guān)Si導(dǎo)通，開關(guān)S 2關(guān)斷；當(dāng)通過(guò)中間電 容C2的電流降為0時(shí)，令開關(guān)Si關(guān)斷，開關(guān)S2導(dǎo)通；當(dāng)通過(guò)電感L 2的電流達(dá)到最大值時(shí)， 令開關(guān)Si關(guān)斷，開關(guān)S2關(guān)斷。
[0023] 上述DICH接口電路中的開關(guān)Si和S2應(yīng)盡量選用響應(yīng)速度快、低導(dǎo)通電阻的電子 開關(guān)。電感1^、1^應(yīng)盡可能選用高品質(zhì)因子電感，為了使電壓盡快的翻轉(zhuǎn)，增大壓電片兩端 的開路電壓，從而得到較大的回收功率，其中電感U的參數(shù)優(yōu)選使得振蕩電路的振蕩 周期小于機(jī)械振動(dòng)周期的1/20的電感。為了保證濾波后的電壓足夠平穩(wěn)，濾波電容Cr的 電容值最好滿足R(；>5T這一條件，其中T為機(jī)械振動(dòng)周期。
[0024] 圖2顯示了本發(fā)明的DICH接口電路在每個(gè)機(jī)械振動(dòng)周期內(nèi)壓電片兩端、中間電容 兩端電壓和各階段電流波形，從圖中可看出DICH接口電路在每個(gè)機(jī)械振動(dòng)周期內(nèi)完成兩 次能量回收，每次能量回收可分為能量提取、能量轉(zhuǎn)移、能量存儲(chǔ)和電路開路四個(gè)階段，在 機(jī)械振動(dòng)位移最大值變化到最小值這半個(gè)周期中包含能量提取、能量轉(zhuǎn)移、能量存儲(chǔ)和電 路開路四個(gè)階段，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析：
[0025] (1)能量提取階段：在、時(shí)刻，機(jī)械振動(dòng)位移u達(dá)到最大值UM，此時(shí)壓電片兩端電 壓達(dá)到最大值V M，開關(guān)Si閉合，存儲(chǔ)在壓電片上的電能經(jīng)電感U和二極管Di轉(zhuǎn)移到中間電 容Q上，當(dāng)Q上面電荷量最大和電流L = 0時(shí)，開關(guān)Si斷開，開關(guān)S2閉合。
[0026] 當(dāng)開關(guān)Si閉合，壓電片、電感U和電容Q組成了 一個(gè)振蕩電路一UQA振蕩電路，
[0027] 根據(jù)基爾霍夫電壓定律得：

【權(quán)利要求】
1. 一種振動(dòng)能量回收接口電路，用于從隨振源振動(dòng)的壓電元件中提取電能供負(fù)載使 用，其特征在于，該接口電路包括：第一開關(guān)、第二開關(guān)、第一電感、第二電感、第一中間電 容、第二中間電容、濾波電容、第一?第三二極管，以及兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，第一中 間電容與第二中間電容的電容值相同；第一二極管、第一中間電容、第二中間電容、第二二 極管依次首尾相連構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，且第一二極管與第二二極管在該環(huán)路中的方向相同；第 一二級(jí)管與第二二極管之間的結(jié)點(diǎn)依次串聯(lián)第一電感、第一開關(guān)后與一個(gè)輸入端連接，第 一中間電容與第二中間電容之間的結(jié)點(diǎn)與另一個(gè)輸入端連接，第一二極管與第一電容之間 的結(jié)點(diǎn)、第二電感其中一端、濾波電容的一端與一個(gè)輸出端共連接，第二二極管與第二中間 電容之間的結(jié)點(diǎn)和第二電感的另外一端通過(guò)第二開關(guān)連接，濾波電容的另一端與另外一個(gè) 輸出端通過(guò)公共結(jié)點(diǎn)連接，第三二極管連接于公共結(jié)點(diǎn)和第二電感的另外一端之間且其方 向與第二二極管的方向相反。
2. 如權(quán)利要求1所述振動(dòng)能量回收接口電路，其特征在于，所述第一電感的電感值滿 足以下條件：由第一電感、所述壓電元件的受夾電容、第一中間電容/第二中間電容串聯(lián)構(gòu) 成的LC振蕩電路的振蕩周期小于所述振源振動(dòng)周期的二十分之一。
3. 如權(quán)利要求1所述振動(dòng)能量回收接口電路，其特征在于，所述第一中間電容和第二 中間電容的電容值C滿足以下條件： c_(3-r〇)c0， 2-2? ' 其中，C。為所述壓電元件的受夾電容值，？?為由第一電感、所述壓電元件的受夾電容、 第一中間電容/第二中間電容串聯(lián)構(gòu)成的LC振蕩電路的翻轉(zhuǎn)系數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述振動(dòng)能量回收接口電路，其特征在于，所述濾波電容的電容值與 所述負(fù)載的等效電阻值的乘積大于所述振源振動(dòng)周期的五倍。
5. 如權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述振動(dòng)能量回收接口電路的控制方法，其特征在于，在 每個(gè)振動(dòng)周期中按照以下方式控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)：當(dāng)所述壓電元件的振 動(dòng)位移達(dá)到最大值時(shí)，令第一開關(guān)導(dǎo)通，第二開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)通過(guò)第一中間電容的電流降為0 時(shí)，令第一開關(guān)關(guān)斷，第二開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)通過(guò)第二電感的電流達(dá)到最大值時(shí)，令第一開關(guān)關(guān) 斷，第二開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)所述壓電元件的振動(dòng)位移達(dá)到負(fù)的最大值時(shí)，令第一開關(guān)導(dǎo)通，第二 開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)通過(guò)第二中間電容的電流降為〇時(shí)，令第一開關(guān)關(guān)斷，第二開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)通過(guò) 第二電感的電流達(dá)到最大值時(shí)，令第一開關(guān)關(guān)斷，第二開關(guān)關(guān)斷。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK104124879SQ201410310970
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】王宏濤, 張寶強(qiáng), 孟瑩梅, 衛(wèi)海霞 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)