压电材料的蓄电和放电系统

丁 宝， 王林月， 吴智量

(广州大学 物理与电子工程学院 ,广东 广州 510006)



压电材料的蓄电和放电系统

丁 宝， 王林月， 吴智量

(广州大学 物理与电子工程学院 ,广东 广州 510006)

根据压电效应理论，自制了PZT-5H压电陶瓷和磷青铜基板构成双晶压电振子,作为基本元件，使机械能转换电能的效率最大。配合橡胶与弹簧，构建坐压式压电发电装置，经全桥整流后，采集能量，并经放大后，充入蓄电池中存储起来。利用ARM单片机构建智能控制蓄电放电系统，对压电装置的发电实时监测，同时人工选择不同方向供电，提高能源率。该系统可以用在公交等汽车的座位上人流量大的地方推广应用，将人压座位的动能转化为电能，向汽车上的周围装置供电。

压电振子； 压电发电装置； 控制蓄电放电系统

0 引 言

随着世界工业经济的发展、人口的剧增，导致了资源的日益缺乏和世界气候的日益恶化。因此，新能源绿色环保技术己成为当今的研究热点，而压电发电技术符合新能源的环保、低碳要求，受到各国研究人员的重视和关注。

在公交汽车上，每天都有不计其数的人坐在座位上，而且在1 d内的某几个时间段内，会有人不断压座位，座位则在经受压的作用产生应力、应变、位移以及一定程度的振动。此时，座位将从重力的做功中获取动能。因此，如果将这些振动能量收集起来，转换为电能的形式加以利用，不但能减少结构损伤、降低噪声、减轻环境污染，而且对人类社会日益匿乏的能源将是一个补充。

基于压电材料的振动能量采集技术是一种绿色环保技术，符合当今社会“低碳”的主题，而且对于一些低功耗的元器件，压电电源能够满足其自供电的要求，同时还具有较长的寿命，应用前景广阔。本文以压电电源为应用前景，研发了一种新型“纯电动汽车能源自供系统”，开发了坐压式新型压电发电装置，脉冲式能量采集电路，能够间断存储脉冲电量的新型蓄电系统，利用所需电能驱动汽车上小灯照明或者为乘客提供手机充电装置等。

1 系统的整体架构

用PZT-5H压电陶瓷和磷青铜作原材料自制压电振子，建立数学模型分析其结构参数对输出功率的影响，并结合实验验证，确定最佳的振子结构，并以此结构制作对应的压电振子。

设计悬臂梁式压电发电模块，悬臂梁支撑方式适合于低激励水平下的压电发电装置。利用橡胶作为缓冲物，防止形变时超出振子可承受的限度，提升了振子的抗疲劳性能。

利用STM32嵌入式内核，开发智能控制蓄电放电系统并实现以下功能：①对中型压电发电装置所发电能实时采集监测；②对蓄电池电量实时监测；③控制蓄电电池供电去向，如照明灯，低功耗充电装置等。该系统设计的操作流程大概如图1所示。

图1 装置应用流程图

2 系统结构的划分和设计

2.1 自制压电振子

(1)压电效应及压电陶瓷。压电效应就是机械能与电能之间的转换，即压电材料在外界振动激励作用下发生形变，引起材料内部应力的变化，其内部电荷产生电位移从而产生了电场。反过来，当给压电材料加以交流电时，压电材料也能产生机械振动，即称作逆压电效应。正压电效应使得压电材料本身就具有传感器的性能。

当外力作用到压电陶瓷上并引起材料变形，材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，因此原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象；当压力撤消后，陶瓷片回复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象，电荷在电路中移动实现对外部负载做功，向外输出电能，如图2所示。

图2 压电发电原子示意图

(2)压电振子。能受外加交变信号的激励而形成振动的压电晶体或压电晶体与弹性体的连接体称为压电振子。压电转换就是通过压电振子的正压电效应和逆压电效应实现的机械振动能和电能之间的相互转化。

(3)压电陶瓷的制作。PZT陶瓷的制备：取一定量的PZT粉末与适量的5%PVA胶液在玛瑙研钵中均匀混合,然后在不锈钢模具压力6 MPa下，制得生坯。以3 ℃/min的速率在箱式硅碳棒电炉中加热到550 ℃,保温1 h后，除去PVA。然后再1 050 ℃的高温下进行烧结，将烧结好的PZT陶瓷片的两个平行表面抛光处理,抛光面均匀地涂上银浆,烘干烧渗后，还原出来的银渗入瓷件表面，并与之紧密结合。在一定条件下对制得的PZT陶瓷进行极化处理，使陶瓷晶体中的铁电畴在外加电场作用下沿电场方向定向排列,呈现极性,显示出压电效应。流程图如图3所示。

图3 PZT陶瓷的制备工艺

将制作好的压电陶瓷切割并黏贴到磷青铜基板上，则可制作出压电振子，压电振子的结构对其电压、电流、功率等输出特性有着极大的影响。

(4)压电振子输出特性。将压电振子一端基板部分露出作为固定支撑端；另一端自由，在自由端基板露出部分上端和激振器的振动头连接。通过信号发生器输出控制信号，激振器带动振动头产生固定频率的振动，并将振动传递给悬鼻梁支撑的压电振子，使振子产生上下弯曲变形振动，则压电片在弯曲变形下产生电量，通过示波器可观测到压电振子发电的情况。

2.2 坐压式压电发电装置

使用材料：组装好压电发电单位模块×15，40 cm×30 cm有机玻璃板×2，16 cm螺钉×4。

原理：将15套压电发电模块置于两层板的有机玻璃板中间，按3×5的方式排列。

设计示意图见图4。

图4 坐压式压电发电模型

2.3 控制蓄电放电系统

从压电发电装置输出的电能具有高电压、低电流的缺陷，不能满足多数负载工作的要求，因此，需要将电量存储后再为负载供电，以蓄电池作为储能元件。

图5 以蓄电池为储能元件的存储电路

当输入的直流电流电压10～16 V经R4向C5充电，当C5充至5 V时，MAX712芯片内的分流器将5 V电压分压给相关各级。当电池电压过低时，电路对电池进行慢速充电，当电池电压大于一定值时，进行快速充电，即经VT3,L1,D4向电池充电。

2.4 监测与控制系统

设计思路：STM32核心板驱动彩屏显示，联合压电发电装置组建智能控制、检测系统，设计显示操作页面，实时检测发电效果以及充电情况，同时可人工选择向不同的负载供电。

系统主要包括三大块功能。基本信息显示：时间，地点等基本信息;蓄电情况监测：已充电时间，充电电压，已有电量等；供电方向控制：人工选择供电方向。

3 结 语

压电发电装置主要是用来收集人在乘车过程中的能量，从而为电动车电池充电和其他的低功耗电路或者设备提供电能，在具有持续或者间隙性作用力的环境中，它可以替代有线电源或者电池，为系统提供部分电力供应，降低系统的使用和维护成本。随着现阶段的能源紧缺，压电发电装置在电动车上将会成为未来的发展方向。

[1] 董洋洋. 一种新型的压电材料参数的精确表征方法[J]. 功能材料与器件学报,2011，17(1)：94-97.

[2] 文 晟. 基于压电效应的振动能量回收装置的研究进展[J]. 机械科学与技术,2010，29(11)：1515-1520.

[3] 赵鸿铎. 基于压电效应的路面能量收集技术[J]. 上海交通大学学报,2011，45(增刊)：62-66.

[4] 张 军.压电陶瓷在外力作用下的多次压电效应研究[J].压电与声光,2010，32(1)：101-103.

[5] 宁玉怀.压电发电的能量转换机存储技术研究[Z]//中国学位论文全文数据库，2010.

[6] 李 磊，褚家如，平志明.压电微悬臂梁微弱压电信号检测[J].压电与声光,2004,26(1):27-30.

[7] 李亚峰.ARM嵌入式Linux系统开发从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：49-53.

[8] 卡莫尔，贾建斌，李化译.嵌入式系统——体系结构、编程与设计[M].北京：清华大学出版社,2005:25-29.

[9] 张福学，孙 慷. 压电学[M].北京:国防工业出版社，1984.

[10] 张福学，王丽坤. 现代压电学[M].北京:科学出版社，2001.

[11] 刘梅冬，许毓春． 压电铁电材料与器件[J].武汉:华中理工大学出版社,1992.

[12] 刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2010: 87-102.

[13] 王矜奉，苏文斌，王春明. 压电振动理论与应用[M].北京:科学出版社，2011.

[14] UMEDA M, NAKAMURA K,UEHA S.Analysis ofthe transformation of mechanical impact energyto elec-trical energy using a piezoelectric vibrator[J]. Jpn JAppl Phys, 1996,35(5B):3 267-3 273.

[15] Ferris D D, Currie N C.Microwave and millimeterwave systems forwall penetration[C]∥SPIE Conference on Targets and Back-grounds:Characterization and Representation IV C.Orlando, Flo-rida: Bellin Gham,Wash Publishers, 1998:269-279.

Pure Electric Vehicle Energy Systems Confession

DINGBao,WANGLin-yue，WUZhi-liang

(College of Physics and Electronics, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Based on piezoelectric effect theory, homemade piezoelectric ceramic PZT-5H and phosphor bronze substrate composition twin piezoelectric vibrator are taken as basic elements, and then we maximize the efficiency of mechanical energy converting to electrical energy, and use rubber and spring to built the pressure type piezoelectric power generation device. By using full bridge rectifier, energy is collected, after amplification, and stored in the battery. Using ARM microcontroller system, an intelligent control is built to manage the charge and discharge of batteries, monitor real-time condition for the piezoelectric device. The power supply can be selected artificially to different directions at the same time, so that the rate of energy increases. The system can be used in places with big stream of popularization, such as car seats of public transportation, After people sit, the kinetic energy is transferred into electricity, which can supply power to the surrounding device on the car. This will realize the development and application of new energy and protect environment with low carbon.

piezoelectric vibrator; piezoelectric generator; controlled storage and discharge system

2014-06-30

丁 宝(1990-),男,广东茂名人,在读硕士研究生，主要从事光电子技术应用和激光技术应用研究。

Tel.:020-15920145782; E-mail:2475676390@qq.com

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1006-7167(2015)04-0063-03