宁玉怀,鲁五一

（中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙 410075）

一种新型无线传感器网络电源设计

宁玉怀,鲁五一

（中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙 410075）

通过对压电陶瓷的机电能量转换机理和电能存储特性的研究,设计一种压电发电装置和相应的能量转换及存储电路为无线传感器网络供电。针对常规整流电路输入电流存在死区、呈尖顶波的特点,利用非线性阻抗元件的导通、关断及储能的特性,采用交叠泵升的电路连结形式,设计一种非线性阻抗变换整流电路,有效地克服和缩小了输入电流的死区范围。

压电装置;整流电路;无线传感器网络;非线性阻抗变换

随着集成电路和微机电系统技术的发展,低成本、小尺寸、低功耗的电路与传感器的研发取得了巨大进步,使大型无线传感器网络的构建成为可能,利用无线传感器网络实现铁路货车的运行状态参数检测和安全监测是一种极具发展前途的新方法。而无线传感器网络的一个关键组成部分就是能量供给系统,而像货运列车车厢频繁解编组,不能靠有线方式供电。传统的化学能电池还是作为主要的能量供应装置,由于电池尺寸大、寿命有限和更换成本高等缺点,在无线传感器网络中的应用受到了限制。将环境振动能量转变为电能的振动式发电机可以部分克服上述缺点,逐步成为微能源研究的一个热点。[1]

基于压电材料的自供电技术具有结构简单,无电磁干扰,能量密度大,寿命长等特点。英、美、荷兰等国相继开始了相关研究,而国内则起步较晚。本文根据正压电效应原理,利用车体在行驶过程中产生的振动能驱动压电发电装置,提出一种压电自供能装置的设计方案。

1 压电电源的设计

1.1 压电转换收集振动能原理

压电晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应,如图1所示。

图1 正压电效应示意图

根据压电学理论,当压电晶体自由端受外力作用而产生弯曲变形时,其表面便有电荷生成。在一定的外力F作用下压电晶体所产生的电荷及开路电压分别为：

在（1）、（2）式中,d31为压电电荷常数;g31为压电电压常数;l、W、t分别为压电晶体的长度、宽度和总厚度。[2]压电材料等效为一个电容,其储能的公式是：

在（3）、（4）式中：εr为压电材料的相对介电常数;ε0为真空介电常数。压电材料产生的能量主要与以下参数有关：压电材料的压电常数,即d31,介电常数εr,作用应力的大小F和应力施加的区域。从以上理论推导可以得知压电晶体的结构、尺寸参数等是影响其发电量的重要因素;对压电晶体进行结构优化设计是提高发电量的重要途径。主要方法有：1）选用较大机电耦合系数的压电材料;2）减小压电材料的介电常数;3）加强外部激励或增加作用区域面积。[3]

1.2 电学等效模型

当压电陶瓷在压力作用下,上下表面将产生电荷,压电元件相当于一个电容,电容在两极产生电荷后就储存了一定的能量,如图2所示。

图2 压电元件电学等效模型

从电学角度来看,压电元件可以简化为一个正弦电流源,与内在的极间电容Cp的并联,假设电流源和电极电容Cp恒定,负载R可调。由戴维南等效定理,该电路中阻抗为：[4]

式中Ip为电流源有效值,当R=1/ωCp时,即外接负载电阻和压电元件等效阻抗相匹配时,负载吸收的能量最大。在设计整流和存储电路时要考虑负载和压电元件等效电阻,使压电振子的输出功率达到最大化。

1.3 无线传感器网络的压电电源设计

通过以上对压电原理和等效电学模型的分析,选择合适的压电材料制作成压电悬臂梁,如图3所示。当悬臂梁受到振动时,自由端的质量块在振动加速度作用下产生动荷载,该作用力使悬臂梁产生应变,从而在上、下两个端面上形成电势差。该电压通过两边的金属电极导出,最终可以在电流表检测装置中得到稳定的电流输出,经整流和功率调理后可为超级电容进行充电。

图3 压电悬臂梁结构图

为了解决无线传感器网络节点能源供给问题,设计了基于压电发电的新型无线传感器网络电源,结构框图如图4所示。压电悬臂梁将机车的振动能转化为交流电,经整流电路转变为恒定的直流,给超级电容进行充电。超级电容的储存电荷能力是普通电容的几十倍。列车在行驶时振动能是时刻存在的,从而可以实现节点电源的永久免维护。

图4 电源结构框图

2 整流电路的改进

2.1 整流调理电路的设计

压电发电装置产生的电能需要进行AC-DC转换后储存以对无线传感器网络进行供电。因此,电路的转换效率及储存能力会直接影响其输出电量大小。传统的桥式整流电路转换效率较低,输入电流存在死区。存储器件电压是影响压电换能器能量存储效率的一个重要因素。当超级电容的电压大于压电元件产生的电压时,根据二极管的单向导通性,压电元件将不能为负载提供电流。图5为传统的桥式整流电路。

图5 传统的桥式整流电路

可利用非线性阻抗元件的导通、关断及储能的特性,采用交叠泵升的电路连结形式,设计一种非线性阻抗变换整流电路。该电路可随电压的变化自动改变非线性阻抗值,也即改变电流的延续时间及变化规律。利用这一特性,应用到整流电路,就可以有效地抑制死区,改善电流的变化规律,延长电流流向超级电容的时间,提高电路的转换效率。图6为非线性整流电路的构成图。

图6 非线性整流电路

2.2 非线性整流工作方式分析

当压电元件电压Up为正半周时,电容CI为串联充电达到电源电压Up。如电源电压幅值为Um,每个电容CI将充电至Um/2。而在电源的负半周时Ca已充电,电压为Um/2,此时因为Ua的存在,使Up+Ua＞Ud,二极管D1和D3导通,电流流向充电电容Cd。在电流流动过程中,电容Ca放电,使电容电压Ua减少。当电源电压Up比直流电压Ud高的期间内,动作同常规整流电路。而当压电元件Up为负半周时,电容Ca为串联充电,反复以上过程。在Up+Ua＜Ud期间,交流侧不向直流侧供电,期间仅由电容器Cd放电,使直流电压减少来满足负载。[5]

2.3 传统桥式整流和非线性整流仿真比较

在电路仿真软件PSPICE下分别建立桥式整流电路和非线性整流电路的仿真电路图,当超级电容电压到达5v时,流向超级电容的充电电流波形图如图7、图8所示,纵坐标为仿真电流幅值,横坐标为充电时间T。

图7 桥式整流电流流向超级电容时间

图8 非线性整流电流流向超级电容时间

从上述仿真图可以看出,采用非线性整流电路后,通过改变整流环节的阻抗值,使输入电流在电源电压极性变化的前后也能产生,从而拓宽了电流的流通时间,有效地消除了电流的死区,提高了电路的转化效率。

3 结束语

通过以上对压电陶瓷的自供电关键技术分析,可看出：影响其输出电量的因素有压电振子的材料及几何参数、外界振动条件、转换及储存电路效率等;桥式整流电路转换效率较低,采用非线性整流技术能够提高电能的转化效率。利用压电材料为超级电容充电的储能方法将在振动能的收集储存上带来新的商业前景,同时也为无线传感器网络自身供电系统的研究提供了一个新途径。

[1]BEEBY SP,TUDORM J,WHITEN M.Energy harvesting vibrationmicrosystems applications[J].Measurement Science and Technology,2006,（17）：175-195.

[2]Shenck N S,Paradiso JA.Energy scavenging with shoemounted piezoelectrics[J].IEEE MEMS,2001,21（3）： 2130-2142.

[3]王强,骆英,顾建祖.基于压电材料的振动能量获取技术的研究[J].电子元件与材料.2008,27（3）：48-50.

[4]Ottman G K,Hofmann H F,LesieutreG A.Optimized piezoelectric energy circuit using step-down converter in discontinuous conduction mode[J].IEEE Trans Power E-lectron,2003,18（2）：696-703.

[5]卢秀和,王炎,孙慎言.高效整流电路控制方式分析[J].通讯电源技术.2004,21（1）：10-13.

[编校：刘敏]

Design for a New Type of W ireless Sensor Networks Power Supp ly

NING Yuhuai,LUWuyi
（College of Information Scienceand Engineering,Central South University,Changsha Hunan 410075）

A piezoelectric power-generation device and the corresponding circuit for energy transformation and storagewere designed and fabric-cated forWSNs power supply through the study on the mechano-electric energy transformation of the piezoelec-tric ceramics and their electricity storage characteristic.According to the characteristicsof deadarea,top wave in the com-mon rectifier circuit, utilizing the coupling circuit form of connection and fold based on the trait of turning on,shutting off and storing up the energy on nonlinear impedance component,the circuit can alter nonlinear impedance following the variety of voltage,and consequently the range of dead areaof input currentwillbe hurd led and reduced efficiently.

piezoelectricity device;rectifier circuit;wireless sensor networks;nonlinear impedancet ransformation

TP212

A

1671-9654（2010）02-047-03

2010-04-30

宁玉怀（1984-）,男,湖南邵阳人,在读硕士研究生,研究方向为智能测控、电源技术。

鲁五一（1957-）,男,湖南长沙人,教授,研究方向为工业自动化、交通信息与控制技术。