基于压电理论的电能收集和存储方法在弹药上的应用

任华杰，关帅，冀志轩

（海装沈阳局，沈阳110000）

0 引 言

随着科技发展，特别是低功耗电子元件、传感器、无线通信设备的发展，从环境中获取能量的电能发生器引起了新的关注。利用压电效应，压电材料可以将环境中的振动转化为电能。因此应用压电材料的电能发生器及基于压电材料的电能收集、调节和储存方法一直是许多研究的目标[1-4]。

例如，利用火炮射击过程产生的瞬时巨大冲击产生电能并不是全新的技术。这类研究成果已经应用在部分舰载火炮弹药上[5-8]。目前在发射加速度为20 000g～40 000g的情况下可产生200 MJ 的能量，能够满足中低功耗的设备需要，并且有几种利用弹药射击过程的加速度产生电能的应用在弹药引信上的压电发电机已开始进行测试，以评估实际应用情况。

在弹药领域，主要目标是利用压电式能量收集技术开发出具有快速通电能力的电源，并且结合安全性要求，提高此类电源长储性和环境适应性，以满足军事作战的要求（一般温度要求为-65～+175 ℃，贮存期为20 a）。

基于压电式能量收集技术开发的电源已被证明能够替代许多弹药和引信应用的化学电源。这种电源能够满足日常勤务处理的安全要求，并且具有良好的抗电磁干扰和电磁脉冲特性。另外在许多弹药和引信要求越来越小型化的今天，应用压电式能量收集技术开发的电源也能够满足这种要求。

应当指出的是，压电元件在火炮射击的加速度作用下会立即产生电荷，并可将电能贮存在电容器中供后续使用。因此，可以将压电式电源与其他传统电源整合在一起，这样就可通过压电式电源率先为弹药和引信提供电能直至传统电源开始可靠工作，这种“混动”电源可以为出炮口就需要电能的弹药提供动力。

本文将介绍压电式能量收集电源的设计和工作原理，重点是电能收集和贮存的过程，特别是压电元件如何在射击后作用时间很短的压力脉冲下产生电荷。

1 通过发射加速度获取电能

目前研究弹药能量获取的动力源可分为2 个方向：一个方向是将输入冲击载荷使弹性势能贮存在质点弹簧系统的弹性单元内，这将引起质点弹簧系统出炮口之后的振动，然后应用压电元件将振动的机械能转换成电能[6-8]；另一个方向是由于装置的可利用空间很小或是由于冲击载荷作用时间很短，大概几千分之一秒，则不用弹性单元贮存机械能，而是利用冲击载荷给压电元件一个很短的加载脉冲来产生电能，下文我们称之为“一次发射”能量收集式电源。两个研究方向都有挑战，特别是后一个方向，由于冲击载荷作用时间非常短，很难有效将压电元件产生的电荷进行收集并贮存在电容器中。本文就是为了解决这个问题提出了一个新的方法。

1.1 通过弹性势能获取能量

如图1 所示，系统由一个等效质量的m 和劲度系数k 弹簧组成，在炮弹发射过程中，上述的弹簧系统受到沿箭头方向向上的加速度a。因此弹簧受到F=m·a 的压力，并使得弹簧在加速度方向压缩长度d，因此弹簧获取了（1/2k·d2）的弹性势能。通常，承受高过载的弹药会通过某种方式限制弹簧系统压缩量以保护压电元件。炮弹一旦离开身管，向前的加速度就消失了，同时弹簧系统开始振动。因此利用这种方法设计的电源是通过转化炮弹射击过程产生的弹性势能得到电能的。

图1 基于弹药平台上的质量-弹簧系统

图2 安装在压电单元上的质量-弹簧系统

通过合理设计质量-弹簧系统，利用弹丸飞行过程中受到空气阻力产生的振动和抖动也能产生电能，在这种电源中，大量的压电元件用来将弹性势能转换为电能，因此这类压电元件最后放置在弹簧元件和弹药平台的一端，如图2 所示。这种压电单元由于塑封和需要固定在弹药平台的原因，这样选择安装位置是比较合理的。

在具体的实际设计中，有更多的因素需要考虑，例如：可安装弹性系统的空间大小，射击过程的加速度大小及弹丸飞行过程中受到的振动水平和频率[9-11]。

1.2 能量收集电源及电荷收集存储设备

在这组能量收集装置中，压电元件由于自身重力会被压缩一小部分，同时在射击瞬间由于火炮身管后退形成的后退加速度会给压电元件一个冲击载荷，并形成附加质量，然后压电元件产生了短暂的电荷，并由电荷收集和存储设备将电荷转移至存储电容器，图3 为压电元件上产生的可用电荷随时间而变化的曲线。

对于单次射击的电荷生成和存储的基本电路如图4所示，现有的能量收集装置里的独立压电元件可看做一个电容Cp与电源Q 并联，如图5 所示。图4 的等效电路如图6 所示。当压电元件在弹药发射过程中受到冲击载荷时，会产生电荷（Q），从而形成电流i1通过节点1，电流i1一部分（电流i2）流入电感L1，一部分（电流i3）流入电容Cp。在节点1 处，随着电容不断充电其电压会不断上升，但二极管D2的保护作用使得节点2 没有顺时针电流流入。由于电容和电感瞬态完全相反的特性，压电元件产生的能量储存在电容Cp中，一开始电感L1是完全放电无磁场状态，当连接到压电元件这样的电压源时，由于电感L1的自感作用使电路瞬时开路。在设计初期由于合理的选择了时间常数，因此压电元件产生的能量最终流入电感L1，并储存在电感磁场中。

图3 受到短时冲击载荷时的压电元件产生电荷曲线

图4 一次射击的电荷产生和收集的循环电路

图5 压电元件的等效电路

当压电单元达到最大变形量时，电流i2和i3反向流动，此时压电单元开始吸收能量。因此在电感L1的磁场中储存的能量转移到电容Cp中。二极管D1能阻止能量从电容Cp中损失，由于二极管D2是正向导通的，所以储存电容Cp中的能量能够通过电感L2流入电容C，而前期储存在电感L2中的能量则通过二极管D3流向电容C，两者在电容C 中累计。

图6 等效电路

1.3 一次能量收集试验台

目前设计了一种利用非常短暂的压缩载荷并作用在压电单元上的机械模拟装置，结构如图7 所示。这个试验台能够容纳不同尺寸的压电元件，带有预装弹簧的锤子由旋转凸轮机构释放，以撞击定位压电元件的铁毡。这个试验台目前通过改变弹簧的预载荷和锤子的质量可以模拟射击加速度超过5000g 的情况。例如，该试验台已经应用在模拟射击峰值加速度达3000g 持续时间5 ms 的工况。图示的试验台可容纳高几毫米且直径达12 mm 的压电单元用以产生峰值电压，通常可达到数十伏。

图7 模拟试验台

2 结 论

本文提出了一种在压电元件受到冲击载荷脉冲时收集和存储产生电荷的新方法。即使脉冲作用时间远低于0.1 s，这种被动充电电路也能够有效收集脉冲作用产生的电荷。而且在这个快速响应的电路中，可将产生的电荷有效存储在电容中。

值得注意的是，该方法不仅可以用于单个脉冲形成电荷的收集和存储，还可用于多脉冲形成电荷的收集和存储。通过将电荷脉冲有序地传递到电荷收集和存储的并联电路中，电能可从高频振动中获得。

综上所述，通过给压电元件施加压缩载荷来模拟弹药射击过程中产生和收集电能过程，测试和验证了电能收集和储存的方法是合理可行的。