马玉凤，董春芳，李 娟，杨梓煜，叶圣昕

(东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 引言

严寒冬季，取暖产品备受人们青睐，从热水袋到电加热、化学剂加热的取暖产品层出不穷，随着取暖产品种类的增加，人们对其的要求也越来越高，是否节能环保、是否便于携带也成为了用户选择的首要条件。因此市场上一些便于携带的暖手宝、发热贴成为了炙手可热的取暖产品，这类产品虽满足了用户需求的功能性和方便性，但绝大部分都利用化学剂反应发热或者采用电池和充电发热，而利用化学剂发热的一次性产品会严重污染环境，违背绿色环保概念，利用电能发热是对能源的消耗，与节能理念相悖。同时，低温烫伤等安全问题也使得人们对其望而却步。

而本次设计的取暖器采用无源供电，利用能量收集装置将环境中的动能转换成电能。压电材料在外力的作用下产生正压电效应，从而产生电能，且利用压电振动产生电能的这种压电能量收集器具有功率密度大、结构简单等特点。

该款取暖器还有两个特点：一是可将人们日常生活中产生的机械能通过压电陶瓷的正压电效应转化为电能，在此基础上置有控温装置，以便外出工作或旅游的人携带。二是当人们在户外取暖时，此时人体本身就是一个动力源，因此无需再寻找充电设备；控温装置除了能提高人们使用的舒适度，还能提高电能的利用率，符合当前节能环保要求。

2 整体方案设计

基于压电陶瓷的自发热可控温取暖器的整体结构设计如图1所示，主要包括压电陶瓷自发电部分、稳电部分、集电部分、控温部分以及发热部分等多种功模块。该取暖器以压电陶瓷自发电的电源为核心，通过收集稳定后的电能为发热材料提供电源，并通过控温装置实现温度范围的控制，不仅具有无外源供电的特点，还迎合了节能理念。

图1 整体结构设计

2.1 整体电路原理设计

本产品是基于压电陶瓷的自发电可控温便携式取暖器，设计过程中包括发电、集电、稳电、控温等一系列装置中的物理量转换过程，所以电路设计也是实现取暖器功能的一大重点，如图2即为取暖器功能实现的整体结构原理电路图。

2.2 压电陶瓷自发电部分设计

本产品发电部分主要利用压电陶瓷振动发电的性质。其利用的是压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷在外力作用下产生电荷，从而将机械能转换成电能。压电陶瓷的正压电效应就是当受到外力时会产生机械变形，从而产生电荷，而当外力去掉后又恢复至初始不带电的状态，例如人在行走过程中脚对地面产生压力，脚离开地面又恢复原样。本产品使用的PZT压电陶瓷系统有非常强且稳定的压电性能。因为压电陶瓷本身硬且脆，所以将压电晶体与弹性体连接起来构成压电振子，又因压电振子振动产生大电压以及少量电荷，故采用并联方式的压电堆叠。厚度伸缩的压电振子堆叠比长度伸缩的压电堆叠能承受更大的力，在压电振子等量，压电堆叠能承受的力达到最大的情况下，厚度伸缩的压电堆叠能够产生更大的电流。经初步研究，本产品可以在发电的同时发热。以10 cm×5 cm的暖宝宝贴为例，从常温加热到40 ℃，发热电阻丝碳纤维取规格为3K电阻为144 Ω/m，碳纤维比热容取0.0008 J/(g·k)，只需6.73 s。

图2 整体结构原理

2.3 发电部分构成

多片压电陶瓷与1个开关串联而成，压电陶瓷通过身体部位的震动发电，开关控制压电陶瓷的数量，以此来控制产生电能的多少。最后根据所需电流的大小、适当的体积这两个条件来确定压电堆叠的层数n、厚度d、底面积A。如图3所示。

图3 压电堆叠方式及内部结构示意图

该款取暖器的自发电部分采用电极并联双压电片悬臂梁结构，组成有压电陶瓷片，以处于运动状态中的质量块作为梁的弹性材料，来接收施加的外力；将压电陶瓷粘在具有一定弹性的基本材料上并贴在悬臂梁的自由端，以保证在受到外力时能产生足够高的振动频率，从而将产生的电流最大化。为使发电装置能在较小的激励强度和较宽的频率范围内具备更强的发电能力，即采用多片压电振子发电。

联接方式采用输出电流较大的并联联接。此结构是将上下两个陶瓷片引出了电极接到一起，相互短接，然后作为发电装置的一个电极，另一个电极从金属片上引出。

2.4 发电部分总体排布

压电振子最主要的功能就是能量转换，因为外加作用力决定发电能力，所以利用提高外加作用力的方式来提高压电效率。本产品采用如下结构进行力的放大，以实现压电效率的提高，如图4所示。

图4 发电部分整体排布

2.5 稳电集电部分

压电能量收集技术是利用压电材料的压电效应来产生电能。压电能量的收集装置结构是本产品的研究重点之一。本产品的压电能量收集装置具有体积小、结构简单、无电磁干扰、易于加工制作的优点。为了实现取暖器在使用过程中持续发电，需要对压电陶瓷产生的交流电进行处理。首先，利用整流电路将压电陶瓷振动产生的交流电转化为直流电，但此时的波形并不稳定，需要进一步进行滤波，接下来利用稳压装置将滤波后的易突变电压进行稳定，经过处理后的电流最终被送入存储电路中，实现稳电集电。整流滤波电路如图5所示。

倍压整流电路可以将较低的交流电利用耐压较高的整流作用，将电压储存在各自的电容上，然后按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的高压。倍压整流电路输出的直流电压波形还不够好，因此需要滤波电路进行滤波以减小输出电压的纹波。在本系统设计中使用四倍压整流电路，其电路上电容还起到滤波的作用，因此兼具整流和滤波的作用。

针对直流升压电路，系统设计中选择ME2111稳压芯片，它是一款高效率同步整流升压DC/DC转换器，只需要三个外围器件(两个电容，一个电感)。它的启动电压低，0.95 V以上就可以工作，效率可达到94%。

图5 整流滤波电路

将电流进行整流、滤波、升压后需要将电能储存起来即能量储存模块。本产品采用HM4601芯片作为主控芯片，HM4601通过恒压控制环和恒流控制环来调整锂电池充电电压和恒流充电电流，同时还集成了温度保护、最大充电时间限制、输出短路功能。

2.6 控温部分

控温装置是针对于发热层产生的热量进行调整控制的装置，也是该款取暖器的重点设计之一。

通过发电、稳电集电部分的电流作用于发热层，使其达到一定的温度可供人们取暖，但是此时的温度并不是最适合人体的舒适温度。由于不在可控范围内的温度也会对人体造成伤害，例如低温烫伤等，为解决这类问题，本产品在设计时内置控温装置，通过调节温度控制器来控制上下限温度，当发热材料表面任意一点温度达到上限温度60 ℃时，温度探头感应到信号将其反馈给温控器，温控器减小输出电流，从而使温度下降；当温度下降到下限温度40 ℃时，温度探头反馈信号给温控器使其增大电流，从而使温度升高。通过这种信号反馈调节输出电流来实现温度的控制。

由于人体长时间接触高于体温的温度会产生低温烫伤的情况，所以采用耐热层树脂包裹发热层线芯，在便携式取暖器的最外层，也会采用绒布隔开皮肤和发热部分，避免低温烫伤。

3 结语

本文利用压电陶瓷的正压电效应，对其施加外界作用力，实现压电发电，设计了一款自发电取暖器，并进行了相关理论的设计与分析。该款取暖器的发电部分采用悬臂梁结构，对压电陶瓷进行施压，高效率地产生大量电荷，再利用整流滤波电路及储能装置将收集到的电荷转换成电流并储存于电池，用于发热层的使用。内置的控温装置将温度控制在人体舒适温度范围内，可避免低温烫伤这一安全问题。该款取暖器利用压电陶瓷这一清洁能源实现了无源供电，绿色环保，使用便捷，符合节能环保理念，也达到了国家低碳环保的要求。