基于PzT壓力發(fā)電的穿戴式俘能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

劉淼 金振洲 陳曉琦

摘要：文章詳細闡述了一種可社交排名的穿戴式俘能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)包括壓電俘能裝置，電量儲存裝置，電量統(tǒng)計裝置和運動APP。該系統(tǒng)利用PZT壓電技術(shù)，俘獲運動產(chǎn)能，電量收集電路進行能量收集，鎳氫電池進行電量存儲，通過建模分析電壓和電流關(guān)系，測量儲電模塊的電量并通過藍牙發(fā)送至運動APP，根據(jù)產(chǎn)電電量的多少進行實時運動排名。

關(guān)鍵詞：PZT壓電技術(shù);運動產(chǎn)能;實時運動排名

中圖分類號：TM91 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0025-02

1概述

近年來，環(huán)境振動能量已成為環(huán)保研究者的“新寵”，被應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的供電系統(tǒng)中，用以取代傳統(tǒng)的電池供電。壓電能量采集因其具有轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)機構(gòu)的微小化等諸多優(yōu)點而成為振動能量采集研究的熱點。

科學(xué)家們針對壓電材料的特性，設(shè)置并制作出了多種壓電裝置。Granstrom等人設(shè)計了一種壓電背包，該背包在人體走動時上下晃動的過程中提取能量，實驗表明，包重220N的情況下，在背包帶中植入兩根52um厚的PVDF長帶，步行速度為3km/h，平均輸出可以達到45.6mW。Michele通過將設(shè)計的壓電懸臂俘能器置于膝蓋部位，用以收集人在行走是膝蓋彎曲產(chǎn)生的能量。但是所述的采用壓電等技術(shù)制作的俘能裝置因體積大，笨重，且不適于向大眾推廣。本文提供了一種輕便小巧、能引起大眾環(huán)保意識的穿戴式俘能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計來有效利用運動產(chǎn)能的。

該系統(tǒng)首先采用多片并聯(lián)PZT陶瓷發(fā)電片進行壓力發(fā)電;產(chǎn)生的電能通過電量收集電路，儲存到可充電鎳氫電池中;外加的電量統(tǒng)計模塊采用開路電壓法，利用AD轉(zhuǎn)換芯片測量電池的開路電壓，進而通過查詢特性曲線圖得到電池中的電量，并將電量數(shù)據(jù)通過低功耗藍牙通信模塊定時傳送至運動APP，運動APP對數(shù)據(jù)處理計算后進行運動產(chǎn)電排名。

本文所設(shè)計的系統(tǒng)抓住運動健身APP的熱潮，將輕便穿戴式俘能裝置收集的電量數(shù)值發(fā)送至運動APP，進行統(tǒng)計排名，將節(jié)能環(huán)保的意識傳遞給每一個使用者。

2壓電俘能

系統(tǒng)中該模塊選用高效節(jié)能的PZT壓電陶瓷發(fā)電片作為核心器件，通過在鞋底部及身體其他部位設(shè)置PZT材料實現(xiàn)壓電俘能。利用壓電材料可直接實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，所存儲的電能可實時供電給手機等智能設(shè)備。為提高輸出功率，使用多片PZT并聯(lián)進行發(fā)電;在實驗過程中，為加強擠壓效果，在壓電片上黏上高彈橡膠塊。PZT常用參數(shù)如下表格1所示：

3儲存電能

壓電陶瓷片在振動環(huán)境中只能輸出低功率、小電流的交流電，無法直接輸出到儲電設(shè)備。通常需要設(shè)計附加的能量采集電路，以便完成交直流轉(zhuǎn)換和能量存儲。為了進一步提高發(fā)電輸出功率，我們將在壓電片輸出端接入以LTC3588-1電源管理芯片為核心的電壓變換電路以及LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路，將收集到的電能變換后存儲到電池中。該采集電路能穩(wěn)定輸出4.1V直流電壓來為電池充電，實現(xiàn)了將壓電片產(chǎn)生的電能存儲到鋰電池，具有應(yīng)用前景。

結(jié)合已有的1.2V可充電鎳氫電池，給其充電最低功率達到0.23W即可實現(xiàn)充電。所以，選用鎳氫電池能在壓電俘能輸出功率較小的情況下實現(xiàn)儲電功能。為達到給移動設(shè)備充電的目的，采取多節(jié)鎳氫電池并聯(lián)儲存電量;放電時通過升壓模塊進行將輸出電壓升至指定值。

4電量統(tǒng)計

通過上述技術(shù)實現(xiàn)，我們成功將運動能量轉(zhuǎn)化為電能存儲在儲電模塊之中。本設(shè)計中用開路電壓法計量儲電模塊中的電量。開路電壓法操作簡單，具有可行性。其根本思路是根據(jù)電池的剩余電量與開路電壓有一定的關(guān)系而建立的。使用該方法時，采用AD轉(zhuǎn)換芯片測量電池的開路電壓，進而通過查詢特性曲線圖得到估計的電量值。

查詢資料吸相關(guān)實驗數(shù)據(jù)得到如圖2。

電量統(tǒng)計模塊在每日清晨，對電池儲能模塊進行一次電量計量。測出電池電壓，按上面給出的表格數(shù)據(jù)，計算對應(yīng)的電量，并以此為基準(zhǔn)電量。此后，用戶打開運動APP時，電量統(tǒng)計模塊實時計量以此當(dāng)前電量，并將其與基準(zhǔn)電量的差值通過藍牙通信模塊傳送至運動APP，進行實時運動產(chǎn)電排名。

5實時通信

通信模塊選用低功耗藍牙芯片為主體，數(shù)值傳輸準(zhǔn)確，傳輸效率較高，并且在傳輸?shù)倪^程中所損失的能量較少，從而達到了節(jié)約能源這一目的。

當(dāng)用戶打開運動APP界面，需要查看排名時，藍牙通信模塊便將電量統(tǒng)計模塊對產(chǎn)生電量的統(tǒng)計值實時傳送至運動APP，從而讓運動APP進行運動產(chǎn)電排名。

6結(jié)束語

通過測試不同參數(shù)與不斷對比可行的方案，我們證實了該系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)設(shè)計小巧，實用耐用，便于運動時攜帶，同時與移動端運動APP的結(jié)合，符合大眾的心理需求，易于推廣。未來該系統(tǒng)可往小型化方向進一步產(chǎn)品化，可以設(shè)計成更貼合各種運動、健身活動的外觀產(chǎn)品。