应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路

摘要

本发明公开了一种应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路，用于解决现有压电能量采集器采集效率低的技术问题。技术方案是采集器采用冲击式悬梁臂结构，车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC‑DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。

权利要求

1.一种应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路，所述的压电能量采集器包括悬梁臂底座(1)、悬梁臂(2)、冲击杆架(3)、冲击杆(4)、第一弹簧(5)、弹簧基座(6)、第二弹簧(7)、压电材料(8)和金属薄片(9)；悬梁臂底座(1)表面的一端固定有悬梁臂(2)，另一端与第一弹簧(5)相连；悬梁臂(2)由压电材料(8)和金属薄片(9)组成，悬梁臂(2)的一端固定在悬梁臂底座(1)的表面，另一端悬空；冲击杆架(3)的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧(5)、冲击杆(4)和第二弹簧(7)；冲击杆(4)一端固定在冲击杆架(3)上，另一端悬浮于悬梁臂(2)的自由端的垂直上方；第一弹簧(5)安置于悬梁臂底座(1)和冲击杆架(3)之间；第二弹簧(7)安置于弹簧基座(6)和冲击杆架(3)之间；当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架(3)和冲击杆(4)下降；当冲击杆(4)接触到悬梁臂(2)后，悬梁臂(2)随冲击杆(4)运动，此时压电材料(8)开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆(4)持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆(4)到达最低点，此时压电材料(8)输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆(4)恢复到初始位置，此时冲击杆(4)与悬梁臂(2)不接触，悬梁臂(2)将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动，其特征在于：所述的采集电路包括全桥整流器、DC-DC开关变换器和开关信号控制器；全桥整流器的输入端与压电材料的输出电极相连，压电材料的输出电压经过全桥整流器整流后输出给DC-DC开关变换器；开关信号控制器的输出连接DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极，用于控制DC-DC开关变换器实现对储能器件的充电；

开关信号控制器产生周期性的方波信号控制DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的通断；所述的开关信号控制器由唤醒模块、开关信号产生模块、冲击周期检测模块以及开关信号变换模块组成；唤醒模块的输入端连接在全桥整流器的输出端，其输出信号分别连接到冲击周期检测模块、开关信号产生模块以及开关信号变换模块，以启动和控制这三个电路模块工作；冲击周期检测模块的输入端连接在压电材料的输出电极两端，输出端连接到开关信号变换模块；开关信号变换模块的输出端连接开关信号产生模块，开关信号产生模块的输出端连接到DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极；

唤醒模块的功能是检测汽车能量并启动其它电路开始工作；开关信号产生模块用于产生控制功率级开关管NM1通断的周期性方波信号；冲击周期检测模块的功能是检测冲击周期是否结束；开关信号变换模块接收到冲击周期结束的信号后，向开关信号产生模块发出变换开关信号周期的指示信号；

所述的开关信号控制器能够及时准确地检测有无车辆通过减速带，并控制整个能量采集电路的工作；当没有车辆通过时，控制能量采集电路使其工作在低功耗的休眠状态；而当车辆到来时，控制DC-DC开关变换器为储能器件充电；另外，在压电能量转换过程中，开关信号控制器还要控制DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其与压电材料实现阻抗匹配。

说明书

应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种压电能量采集器，特别是涉及一种应用于道路减速带的压电能量采集器。还涉及这种应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路。

背景技术

[0002] 随着科学技术的快速发展，人类的生活质量得到不断提升。与此同时，能源危机和地球生态环境恶化日益加剧，节能减排和可再生能源成为当今全球性的热门课题。压电材料可将机械能转换成为电能，为产生绿色环保的可再生能源提供了有效途径。目前，在全球范围内汽车保有量持续增加，汽车不仅消耗了大量的石化能源，而且导致了严重的空气污染。收集车辆行驶过程中产生的动能和重力势能，并利用压电材料将其转化为电能加以利用，是提高能源使用效率的新思路。

[0003] 文献1“授权公告号是CN203071838U的中国实用新型专利”公开了一种基于压电效应的减速带发电系统。该系统包括发电装置以及与发电装置依次连接的电压转换及稳定装置、储能装置。该发电装置包括基体支撑机构、压电装置、导向机构和密封机构、压电装置底座。该发电装置的工作原理是:当减速带受到汽车的压力时，基体支撑机构压迫压电装置变形并产生电能。但是该发电装置的缺点是，只有在车辆通过减速带的瞬间，对发电装置施加压力时才产生电能，而当车辆驶离减速带后就无能量输出，因此该装置产生电能的时间非常短暂，导致能量采集效率低。

[0004] 文献2“Resistive impedance matching circuit for piezoelectric energy harvesting，Journal of Intelligent Material Systems and Structures,September 2010,Vol.21,pp.1293-1302”中提出了一种针对振动的压电能量采集电路实现方案。该电路根据阻抗匹配时可实现最大能量传输的原理，将DC-DC开关变换器的输入阻抗与压电材料的输出阻抗相匹配，提高了压电能量采集系统的采集效率。该电路结构简单，能量消耗低。但该电路方案的缺点是，由于DC-DC开关变换器的开关控制器只产生固定开关周期的方波信号，因此只适用于具有固定振动频率的压电采集系统。另外，该电路方案没有提出无能量输入时的处理方法。

发明内容

[0005] 为了克服现有压电能量采集器采集效率低的不足，本发明提供一种应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路。该采集器采用冲击式悬梁臂结构，增加了电能输出时间。车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于道路减速带的压电能量采集器，其特点是包括悬梁臂底座1、悬梁臂2、冲击杆架3、冲击杆4、第一弹簧5、弹簧基座6、第二弹簧7、压电材料8和金属薄片9。悬梁臂底座1表面的一端固定有悬梁臂2，另一端与第一弹簧5相连；悬梁臂2由压电材料8和金属薄片9组成，悬梁臂2的一端固定在悬梁臂底座1的表面，另一端悬空；冲击杆架3的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧5、冲击杆4和第二弹簧7；冲击杆4一端固定在冲击杆架3上，另一端悬浮于悬梁臂2的自由端的垂直上方；第一弹簧5安置于悬梁臂底座1和冲击杆架3之间；第二弹簧7安置于弹簧基座6和冲击杆架3之间。当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架3和冲击杆4下降；当冲击杆4接触到悬梁臂2后，悬梁臂2随冲击杆4运动，此时压电材料8开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆4持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆4到达最低点，此时压电材料8输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆4恢复到初始位置，此时冲击杆4与悬梁臂2不接触，悬梁臂2将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动。

[0007] 一种上述应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路，其特点是包括全桥整流器、DC-DC开关变换器和开关信号控制器。全桥整流器的输入端与压电材料的输出电极相连，压电材料的输出电压经过全桥整流器整流后输出给DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极，用于控制DC-DC开关变换器实现对储能器件的充电。

[0008] 开关信号控制器产生周期性的方波信号控制DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的通断。所述的开关信号控制器由唤醒模块、开关信号产生模块、冲击周期检测模块以及开关信号变换模块组成。唤醒模块的输入端连接在全桥整流器的输出端，其输出信号分别连接到冲击周期检测模块、开关信号产生模块以及开关信号变换模块，以启动和控制这三个电路模块工作。冲击周期检测模块的输入端连接在压电材料的输出电极两端，输出端连接到开关信号变换模块。开关信号变换模块的输出端连接开关信号产生模块，开关信号产生模块的输出端连接到DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极。

[0009] 唤醒模块的功能是检测汽车能量并启动其它电路开始工作；开关信号产生模块用于产生控制功率级开关管NM1通断的周期性方波信号；冲击周期检测模块的功能是检测冲击周期是否结束；开关信号变换模块接收到冲击周期结束的信号后，向开关信号产生模块发出变换开关信号周期的指示信号。

[0010] 所述的开关信号控制器能够及时准确地检测有无车辆通过减速带，并控制整个能量采集电路的工作。当没有车辆通过时，控制能量采集电路使其工作在低功耗的休眠状态；而当车辆到来时，控制DC-DC开关变换器为储能器件充电。另外，在压电能量转换过程中，开关信号控制器还要控制DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其与压电材料实现阻抗匹配。

[0011] 本发明的有益效果是：该采集器采用冲击式悬梁臂结构，增加了电能输出时间。车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。

[0012] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

[0013] 图1是本发明应用于道路减速带的压电能量采集器的结构图。

[0014] 图2是本发明应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路的框图。

[0015] 图3是本发明应用于道路减速带的压电能量采集器中冲击杆和悬梁臂的位移以及压电材料的输出电压波形图。

[0016] 图4是图2的实施例图。

[0017] 图5是图2中开关信号控制器的信号波形。

[0018] 图中，1-悬梁臂底座，2-悬梁臂，3-冲击杆架，4-冲击杆，5-第一弹簧，6-弹簧基座，7-第二弹簧，8-压电材料，9-金属薄片。

具体实施方式

[0019] 以下实施例参照图1～5。

[0020] 本发明应用于道路减速带的压电能量采集器包括悬梁臂底座1、悬梁臂2、冲击杆架3、冲击杆4、第一弹簧5、弹簧基座6、第二弹簧7、压电材料8和金属薄片9。悬梁臂底座1表面的一端固定有悬梁臂2，另一端与第一弹簧5相连；悬梁臂2由压电材料8和金属薄片9组成，悬梁臂2的一端固定在悬梁臂底座1的表面，另一端悬空；冲击杆架3的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧5、冲击杆4和第二弹簧7；冲击杆4一端固定在冲击杆架3上，另一端悬浮于悬梁臂2的自由端的垂直上方；第一弹簧5安置于悬梁臂底座1和冲击杆架3之间；第二弹簧7安置于弹簧基座6和冲击杆架3之间。当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架3和冲击杆4下降；当冲击杆4接触到悬梁臂2后，悬梁臂2随冲击杆4运动，此时压电材料8开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆4持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆4到达最低点，此时压电材料8输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆4恢复到初始位置，此时冲击杆4与悬梁臂2不接触，悬梁臂2将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动。

[0021] 一种上述应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路，包括全桥整流器、Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级以及开关信号控制器三个模块组成。全桥整流器的输入端直接与压电材料的输出电极相连，压电材料的输出电压经过全桥整流器整流后输出给Buck-boost型DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极，用于控制Buck-boost型DC-DC开关变换器实现对储能器件的充电。

[0022] 开关信号控制器产生周期性的方波信号控制Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的通断。所述的开关信号控制器由唤醒模块、开关信号产生模块、冲击周期检测模块以及开关信号变换模块四个模块组成。唤醒模块的输入端连接在全桥整流器的输出端，其输出信号分别连接到冲击周期检测模块、开关信号产生模块以及开关信号变换模块，以启动和控制这三个电路模块工作。冲击周期检测模块的输入端连接在压电材料的输出电极两端，输出端连接到开关信号变换模块。开关信号变换模块的输出端连接开关信号产生模块，开关信号产生模块的输出端连接到Buck-boost型DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极。

[0023] 唤醒模块的功能是检测汽车能量并启动其它电路开始工作；开关信号产生模块用于产生控制功率级开关管NM1通断的周期性方波信号；冲击周期检测模块的功能是检测冲击周期是否结束；开关信号变换模块接收到冲击周期结束的信号后，向开关信号产生模块发出变换开关信号周期的指示信号。

[0024] 该开关信号控制器能够及时准确地检测有无车辆通过减速带，并控制整个能量采集电路的工作。当没有车辆通过时，它控制能量采集电路使其工作在低功耗的休眠状态；而当车辆到来时，它控制DC-DC开关变换器为储能器件充电。另外，在压电能量转换过程中，开关信号控制器还要控制DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其与压电材料实现阻抗匹配，以提高能量采集效率。

[0025] 为了实现电能的最大效率传输和采集，要求Buck-boost型DC-DC开关变换器的等效输入电阻与压电材料的输出电阻相匹配。Buck-boost型DC-DC开关变换器的等效输入电阻由变换器内的电感值以及开关管NM1的导通和关闭时间决定，可用1)式表示，其中L为电感值，T为开关信号的周期，D为开关信号的占空比。

[0026]

[0027] 图4是本发明提出的压电能量采集电路的具体实现方案。唤醒模块由差分放大器A1、N型MOSFET管NM3和P型MOSFET PM1组成。A1将输入电容Cin两端的电压放大后输出到NM3的栅极。NM3的源极接地GND，漏极接比较器A2和差分放大器A3的负供电电源引脚V-、PM1的栅极以及A2附属电路的接地端VGND。PM1的源极接外部供电电源Vcc，漏极接555定时器A4的供电引脚Vcc555。

[0028] 当A1的输出电压稳定且大于NM3的阈值电压时，开关管NM3导通，由于NM3的导通电阻非常小，NM3的漏极—源极之间近似于短路，此时NM3的漏极近似接地GND。因此，A2和A3的负供电电源引脚V-、A2附属电路的接地端VGND以及PM1的栅极均接地，A2和A3开始工作，即开关信号产生模块和冲击周期检测模块开始工作。与此同时，当PM1的栅极接地时，PM1导通，A4通电启动，开关信号变换模块也开始工作。

[0029] 与此相反，当A1的输出电压小于NM3的阈值电压时，开关管NM3关断，导致A2和A3的负供电电源引脚悬空，处于高阻状态，无电流通路，此时开关信号产生模块和冲击周期检测模块均不工作。同时由于PM1关断，A4的供电电压被关断，开关信号变换模块也停止工作。此时，整个采集电路进入低功耗的休眠模式。需要特别说明的是，休眠模式中，由于A2的负供电电源被切断，无电流通路，此时A2的输出为略低于供电电压Vcc的高电平，反向器A5的输出为低电平，从而关闭功率级开关管NM1。休眠模式时，仅唤醒模块正常工作，其它电路模块均进入低功耗的休眠模式。

[0030] 另外，可通过改变A1的放大倍数调节电路的启动电压。例如，设定电路启动电压为1V，且A2的供电电压Vcc为3.7V。此时调节A1的放大倍数为3.7倍，当Cin两端电压上升至1V并继续升高时，A1的输出稳定维持在3.7V，使得NM3和PM1导通，开关信号控制器正常工作；当Cin两端电压下降至1V并继续降低时，A1的输出逐渐下降，直到低于NM3的阈值电压时，NM3和PM1关断，开关信号控制器进入低功耗休眠模式。

[0031] 根据上述对压电能量采集器的分析可知，冲击周期的长短由车辆的速度决定。通常车辆通过减速带的速度为10～15公里/小时，此时压电材料的输出电阻在数百千欧左右；而振动周期的振动频率固定为压电材料的自然频率，此时压电材料的输出电阻为数十千欧左右。因此，为了提高电路的能量采集效率，需要分别针对冲击周期和振动周期调整DC-DC开关变换器的等效输入电阻(通过调整开关信号的周期和占空比实现)，以实现与压电材料的阻抗匹配。

[0032] 当压电材料的输出电压由峰值电压变为零时，冲击周期结束，据此可设计冲击周期检测模块。冲击周期检测模块A3的输入端连接在压电材料的两端，A3的负供电电压接地(在正常工作模式下)，因此，当输入为正电压时，A3的输出为放大后的正电压；相反，若输入为负电压时，A3的输出变为零。因此，当冲击周期结束进入振动周期时，由于压电材料输出电压由正电压变为负电压，A3的输出由正电压变为0，直到压电材料的下一个正周期电压出现时，A3的输出又变为正电压。

[0033] 开关信号变换模块为采用555定时器A4实现的单触发电路。当A4的Trigger管脚接收到第一个下降沿时，该电路将被触发。冲击周期内，A4输出为零，当冲击周期检测模块的输出由正变为零时，该下降沿触发A4，此时A4的输出电压等于A4的供电电压。通过调整R1C1的值可设定A4被触发后输出高电压的时间，要求A4输出高电压的时间大于振动周期。A4被触发后输出的高电平使得NM2导通，使电容CC2作用于开关信号产生模块，从而产生新的开关信号。

[0034] 开关信号产生模块由采用低功耗比较器A2设计的振荡器和反向器A5实现。反向器A5用于驱动开关管NM1，同时在休眠模式时使开关管NM1关断。并且A5可用于减小A2输出电平的上升和下降时间，到达减小开关管NM1的开关损耗的目的。冲击周期内，由于开关管NM2关断，A2只通过对电容CC1充放电控制输出的高低电压。因此，冲击周期内输出的开关信号的周期Ti和占空比Di可分别表示为：

[0035]

[0036]

[0037] 当开关信号变换模块检测到冲击周期结束时，A4被触发，使得NM2导通，此时CC2作用于开关信号产生模块。因此，振动周期内输出的开关信号的周期Tv和占空比Dv可分别表示为：

[0038]

[0039]

[0040] 由于在冲击周期和振动周期内，开关信号的周期和占空比均不同，由1)式可知，此时DC-DC开关变换器的等效输入电阻也不同，从而可实现与压电材料的阻抗匹配，以提高能量采集效率。

[0041] 图5是本发明提出的压电能量采集电路中开关信号控制器的信号波形，包括压电材料输出的开路电压以及开关信号控制器的四个模块的输出电压。其中压电材料的开路电压峰值设置为48V，开关信号控制器的供电电压VCC设定为电池的输出电压3.8V。在压电材料的输出电压持续上升且唤醒模块输出V1高于NM3的阈值电压时，NM3导通，唤醒模块的输出控制信号VGND接地，启动冲击周期检测模块、开关信号变换模块和开关信号产生模块开始正常工作，此时开关信号产生模块的输出V5输出周期为Ti、占空比为Di的方波信号控制开关管NM1的通断。当冲击周期结束后，冲击周期检测模块的输出V3由1变为0，该下降沿触发开关信号变换模块，导致V4输出高电平。高电平的V4使NM2导通、CC2作用于开关信号产生模块，此时V5输出周期为Tv、占空比为Dv的新方波信号以匹配压电材料振动时期的阻抗。当唤醒模块的输出V1低于NM3的阈值电压时，唤醒模块的输出控制信号VGND悬空处于高阻态，冲击周期检测模块、开关信号变换模块和开关信号产生模块停止工作，电路进入休眠模式。直到唤醒模块的输出V1高于NM3的阈值电压时，电路恢复正常工作模式。