一種新型無線傳感器網絡電源設計

寧玉懷,魯五一

（中南大學信息科學與工程學院,湖南長沙 410075）

一種新型無線傳感器網絡電源設計

寧玉懷,魯五一

（中南大學信息科學與工程學院,湖南長沙 410075）

通過對壓電陶瓷的機電能量轉換機理和電能存儲特性的研究,設計一種壓電發電裝置和相應的能量轉換及存儲電路為無線傳感器網絡供電。針對常規整流電路輸入電流存在死區、呈尖頂波的特點,利用非線性阻抗元件的導通、關斷及儲能的特性,采用交疊泵升的電路連結形式,設計一種非線性阻抗變換整流電路,有效地克服和縮小了輸入電流的死區范圍。

壓電裝置;整流電路;無線傳感器網絡;非線性阻抗變換

隨著集成電路和微機電系統技術的發展,低成本、小尺寸、低功耗的電路與傳感器的研發取得了巨大進步,使大型無線傳感器網絡的構建成為可能,利用無線傳感器網絡實現鐵路貨車的運行狀態參數檢測和安全監測是一種極具發展前途的新方法。而無線傳感器網絡的一個關鍵組成部分就是能量供給系統,而像貨運列車車廂頻繁解編組,不能靠有線方式供電。傳統的化學能電池還是作為主要的能量供應裝置,由于電池尺寸大、壽命有限和更換成本高等缺點,在無線傳感器網絡中的應用受到了限制。將環境振動能量轉變為電能的振動式發電機可以部分克服上述缺點,逐步成為微能源研究的一個熱點。[1]

基于壓電材料的自供電技術具有結構簡單,無電磁干擾,能量密度大,壽命長等特點。英、美、荷蘭等國相繼開始了相關研究,而國內則起步較晚。本文根據正壓電效應原理,利用車體在行駛過程中產生的振動能驅動壓電發電裝置,提出一種壓電自供能裝置的設計方案。

1 壓電電源的設計

1.1 壓電轉換收集振動能原理

壓電晶體在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后,它又會恢復到不帶電的狀態,這種現象稱為正壓電效應,如圖1所示。

圖1 正壓電效應示意圖

根據壓電學理論,當壓電晶體自由端受外力作用而產生彎曲變形時,其表面便有電荷生成。在一定的外力F作用下壓電晶體所產生的電荷及開路電壓分別為：

在（1）、（2）式中,d31為壓電電荷常數;g31為壓電電壓常數;l、W、t分別為壓電晶體的長度、寬度和總厚度。[2]壓電材料等效為一個電容,其儲能的公式是：

在（3）、（4）式中：εr為壓電材料的相對介電常數;ε0為真空介電常數。壓電材料產生的能量主要與以下參數有關：壓電材料的壓電常數,即d31,介電常數εr,作用應力的大小F和應力施加的區域。從以上理論推導可以得知壓電晶體的結構、尺寸參數等是影響其發電量的重要因素;對壓電晶體進行結構優化設計是提高發電量的重要途徑。主要方法有：1）選用較大機電耦合系數的壓電材料;2）減小壓電材料的介電常數;3）加強外部激勵或增加作用區域面積。[3]

1.2 電學等效模型

當壓電陶瓷在壓力作用下,上下表面將產生電荷,壓電元件相當于一個電容,電容在兩極產生電荷后就儲存了一定的能量,如圖2所示。

圖2 壓電元件電學等效模型

從電學角度來看,壓電元件可以簡化為一個正弦電流源,與內在的極間電容Cp的并聯,假設電流源和電極電容Cp恒定,負載R可調。由戴維南等效定理,該電路中阻抗為：[4]

式中Ip為電流源有效值,當R=1/ωCp時,即外接負載電阻和壓電元件等效阻抗相匹配時,負載吸收的能量最大。在設計整流和存儲電路時要考慮負載和壓電元件等效電阻,使壓電振子的輸出功率達到最大化。

1.3 無線傳感器網絡的壓電電源設計

通過以上對壓電原理和等效電學模型的分析,選擇合適的壓電材料制作成壓電懸臂梁,如圖3所示。當懸臂梁受到振動時,自由端的質量塊在振動加速度作用下產生動荷載,該作用力使懸臂梁產生應變,從而在上、下兩個端面上形成電勢差。該電壓通過兩邊的金屬電極導出,最終可以在電流表檢測裝置中得到穩定的電流輸出,經整流和功率調理后可為超級電容進行充電。

圖3 壓電懸臂梁結構圖

為了解決無線傳感器網絡節點能源供給問題,設計了基于壓電發電的新型無線傳感器網絡電源,結構框圖如圖4所示。壓電懸臂梁將機車的振動能轉化為交流電,經整流電路轉變為恒定的直流,給超級電容進行充電。超級電容的儲存電荷能力是普通電容的幾十倍。列車在行駛時振動能是時刻存在的,從而可以實現節點電源的永久免維護。

圖4 電源結構框圖

2 整流電路的改進

2.1 整流調理電路的設計

壓電發電裝置產生的電能需要進行AC-DC轉換后儲存以對無線傳感器網絡進行供電。因此,電路的轉換效率及儲存能力會直接影響其輸出電量大小。傳統的橋式整流電路轉換效率較低,輸入電流存在死區。存儲器件電壓是影響壓電換能器能量存儲效率的一個重要因素。當超級電容的電壓大于壓電元件產生的電壓時,根據二極管的單向導通性,壓電元件將不能為負載提供電流。圖5為傳統的橋式整流電路。

圖5 傳統的橋式整流電路

可利用非線性阻抗元件的導通、關斷及儲能的特性,采用交疊泵升的電路連結形式,設計一種非線性阻抗變換整流電路。該電路可隨電壓的變化自動改變非線性阻抗值,也即改變電流的延續時間及變化規律。利用這一特性,應用到整流電路,就可以有效地抑制死區,改善電流的變化規律,延長電流流向超級電容的時間,提高電路的轉換效率。圖6為非線性整流電路的構成圖。

圖6 非線性整流電路

2.2 非線性整流工作方式分析

當壓電元件電壓Up為正半周時,電容CI為串聯充電達到電源電壓Up。如電源電壓幅值為Um,每個電容CI將充電至Um/2。而在電源的負半周時Ca已充電,電壓為Um/2,此時因為Ua的存在,使Up+Ua＞Ud,二極管D1和D3導通,電流流向充電電容Cd。在電流流動過程中,電容Ca放電,使電容電壓Ua減少。當電源電壓Up比直流電壓Ud高的期間內,動作同常規整流電路。而當壓電元件Up為負半周時,電容Ca為串聯充電,反復以上過程。在Up+Ua＜Ud期間,交流側不向直流側供電,期間僅由電容器Cd放電,使直流電壓減少來滿足負載。[5]

2.3 傳統橋式整流和非線性整流仿真比較

在電路仿真軟件PSPICE下分別建立橋式整流電路和非線性整流電路的仿真電路圖,當超級電容電壓到達5v時,流向超級電容的充電電流波形圖如圖7、圖8所示,縱坐標為仿真電流幅值,橫坐標為充電時間T。

圖7 橋式整流電流流向超級電容時間

圖8 非線性整流電流流向超級電容時間

從上述仿真圖可以看出,采用非線性整流電路后,通過改變整流環節的阻抗值,使輸入電流在電源電壓極性變化的前后也能產生,從而拓寬了電流的流通時間,有效地消除了電流的死區,提高了電路的轉化效率。

3 結束語

通過以上對壓電陶瓷的自供電關鍵技術分析,可看出：影響其輸出電量的因素有壓電振子的材料及幾何參數、外界振動條件、轉換及儲存電路效率等;橋式整流電路轉換效率較低,采用非線性整流技術能夠提高電能的轉化效率。利用壓電材料為超級電容充電的儲能方法將在振動能的收集儲存上帶來新的商業前景,同時也為無線傳感器網絡自身供電系統的研究提供了一個新途徑。

[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]王強,駱英,顧建祖.基于壓電材料的振動能量獲取技術的研究[J].電子元件與材料.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]盧秀和,王炎,孫慎言.高效整流電路控制方式分析[J].通訊電源技術.2004,21（1）：10-13.

[編校：劉敏]

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

寧玉懷（1984-）,男,湖南邵陽人,在讀碩士研究生,研究方向為智能測控、電源技術。

魯五一（1957-）,男,湖南長沙人,教授,研究方向為工業自動化、交通信息與控制技術。