一種基于PVDF的雙發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

　　3.2 RF遠(yuǎn)程傳輸電路的設(shè)計

　　系統(tǒng)主要應(yīng)用于公路發(fā)電系統(tǒng)，也有可能安裝在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，故采用了傳輸效率高、傳輸響應(yīng)頻率嚴(yán)格的RF遠(yuǎn)程傳輸電路來提高系統(tǒng)能量的收集效率。

　　RF發(fā)射電路由發(fā)射頭電路和微處理器兩部分組成，其工作原理是當(dāng)微處理器和發(fā)射頭電路同時上電后，微處理器串行輸出口TXD發(fā)送一組數(shù)據(jù)，通過發(fā)射頭電路以電磁波形式發(fā)送到空中。數(shù)據(jù)發(fā)送時間要小于10ms,因為壓電發(fā)電裝置所提供的電壓在控制電路的調(diào)解下每次只能持續(xù)1s,故所設(shè)計的發(fā)射電路要適應(yīng)壓電發(fā)電裝置這個特性。

　　在系統(tǒng)中，利用RF發(fā)射電路將系統(tǒng)電網(wǎng)收集的電能集中傳輸給升壓及儲能電路，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程控制。在一些特定的區(qū)域應(yīng)用時可以大大減少安裝、運輸及管理成本等。

　　3.3 升壓電路的設(shè)計

　　一般的升壓電路，當(dāng)電源電壓低于DC/DC驅(qū)動電壓，DC/DC根本無法啟動及進行任何升壓動作。因此首先要解決的就是升壓電路的啟動問題。但是系統(tǒng)增加啟動電路必然使整個電路復(fù)雜化，且電路的穩(wěn)定性降低。本設(shè)計需要的是一種不加啟動電路的升壓電路。

　　采用S882Z系列充電泵就能使上述問題迎刃而解。S882Z系列按放電開始電壓大小有4個品種：分別為1.8V,2.0V,2.2V及2.4V,在型號后綴中用18,20,22及24來區(qū)分。例如，S882Z20是放電開始電壓為2.0V的充電泵。

　　該系列的主要特點如下：輸入電壓VIN范圍在Ta=-30~+60!時為0.3~3.0V;Ta=-40~+85!時為0.35~3.0V;工作時的消耗電流在VIN=0.3V時為0.5mA（最大值）；有關(guān)閉控制，在關(guān)閉狀態(tài)或稱休眠狀態(tài)時耗電小于0.6A（VIN=0.3V）；關(guān)閉控制電壓為放電開始電壓降0.1V（小于等于3.0V）；內(nèi)部振蕩器頻率為350kHz;外部僅接一個啟動電容（CCPOUT）；小尺寸SOT235封裝。

　　3.4 儲能電路設(shè)計

　　壓電元件產(chǎn)生的電荷是瞬間和交替的，是以不規(guī)則的隨機突發(fā)形式提供能量，而且在電能提取過程中具有阻尼效應(yīng)。當(dāng)振動能傳遞到壓電材料時，由于壓電材料內(nèi)部電阻太大（相當(dāng)于斷路）或電阻太小（相當(dāng)于短路）時，產(chǎn)生的電能未消失，會再次轉(zhuǎn)化為振動能；重復(fù)這種過程，振動衰減會持續(xù)一段時間。所積聚起來的電荷阻礙電荷的進一步生成，因此必須先在一個超級電容器中積累足夠的能量，然后通過轉(zhuǎn)換電路將能量儲存于電池中。

　　本系統(tǒng)采用MAX1811作為主控芯片設(shè)計電路對可充電電池進行電能收集。MAX1811體積小，尺寸為5.00mm?6.20mm?1.35mm,它是一種高集成度電池充電器，所需外圍元件很少，易于控制電路體積，而且，它可以用于鋰電池充電。

　　MAX1811有兩個設(shè)置端，其中SELV設(shè)置為高時，對電池的最終充電電壓為4.2V;設(shè)置為低時，最終充電電壓為4.1V,可適應(yīng)不同最終充電電壓的鋰電池，MAX1811最終充電電壓的精度可達(dá)到0.5%,能安全地對電池進行充電。另一個設(shè)置端是SELI,開關(guān)K閉合設(shè)置成高時，充電電流為500mA,適用于高功率的端口（4.75~5.25V,500mA）；開關(guān)斷開為低電平時，充電電流為100mA,適用于低功率端口（4.40~5.25V,100mA），CHG一端在充電期間為低電平，可連接一只發(fā)光二極管作充電指示。

　　壓電材料振動得到的交流電電壓大約為1V,通過升壓電路后電容電壓達(dá)到MAX1811充電控制端輸入電壓要求，電路開始工作。MAX1811的各項參數(shù)滿足設(shè)計要求。

　　4 發(fā)電系統(tǒng)測試流程設(shè)計

　　壓電發(fā)電裝置及試驗系統(tǒng)從主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計到軟件編程組建了一套完整的壓電材料發(fā)電能力的試驗測試系統(tǒng)，這為接下來要進行的對壓電材料發(fā)電性能參數(shù)的測定提供了平臺，并且為研究外界激勵的頻率、振幅對壓電材料發(fā)電產(chǎn)生電壓、電荷量大小的影響提供了分析測試基礎(chǔ)。

　　測試系統(tǒng)的工作原理為：由功率放大器和高能激振器組成的信號發(fā)生器輸出一個頻率及振幅可調(diào)的正弦激勵，為以壓電材料為主體的結(jié)構(gòu)提供激勵源。經(jīng)霍爾位移傳感器和電荷放大器分別檢測壓電材料變形量和壓電材料變形所產(chǎn)生的電荷量，并用圖6測試系統(tǒng)工作框圖電阻分壓的方法把壓電材料產(chǎn)生的輸出電壓調(diào)整到采集卡允許的輸入電壓范圍。然后使用數(shù)據(jù)采集卡對三路信號進行采集，最后利用采集軟件進行數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等。

　　5 結(jié)語

　　設(shè)計制作了簡易的壓電發(fā)電裝置樣機，對影響壓電振子發(fā)電能力的因素進行了試驗分析，同時測試了壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的驅(qū)動能力。

　　由于壓電發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，因此在壓電發(fā)電領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

　　從壓電能量在點火裝置、傳感器和光電測試儀等設(shè)備中的應(yīng)用，到壓電能量的大量捕獲、存儲，甚至利用壓電技術(shù)發(fā)電，這是壓電能源發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)實際振動環(huán)境和條件，選擇更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)配置、壓電振子材料和幾何參數(shù)，以及高效的能量轉(zhuǎn)換存儲電路是提高振動能量捕獲量和捕獲效率的必要途徑，也是壓電發(fā)電技術(shù)要發(fā)展成熟必須要解決的難題。