系統(tǒng)發(fā)電量分析 - 一種基于PVDF的雙發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　2.1 壓電材料施力模式及電能計(jì)算

　　在實(shí)際使用壓電材料時(shí)，通常采用如下兩種施加力的方式：31模式和33模式。31模式表示坐標(biāo)3方向施加應(yīng)用，坐標(biāo)1輸出能量;33模式表示坐標(biāo)3施加應(yīng)用，坐標(biāo)3輸出能量，如圖4所示。由于使用模式33時(shí)可以獲得更大的輸出功率，因此本設(shè)計(jì)采用33模式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

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　　在外界壓力作用下的壓電材料產(chǎn)生的電荷和電壓為：

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　　將壓電材料等效為一個(gè)電容，其儲(chǔ)能公式是：

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　　式中：d33為壓電材料的壓電常數(shù);F為作用在壓電材料表面的應(yīng)力;Afp是作用力施加的區(qū)域;l,w和t分別是壓電材料的長(zhǎng)、寬和厚度;r為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù);0為真空介電常數(shù)。

　　3 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

　　3.1 無(wú)線傳感控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用的方案是，將相鄰的四片壓電材料通過(guò)一個(gè)無(wú)線傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)高效、迅速、靈敏且最大限度地收集壓電材料所產(chǎn)生的電能。系統(tǒng)無(wú)線傳感控制系統(tǒng)與電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

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　　無(wú)線傳感控制系統(tǒng)的工作原理：預(yù)先設(shè)定無(wú)線傳感器的額定工作頻率及轉(zhuǎn)換的額定工作電壓，只有相鄰的壓電應(yīng)變片達(dá)到預(yù)設(shè)的工作頻率，其應(yīng)變才能被無(wú)線傳感器檢測(cè)到，其產(chǎn)生的電能才可以被無(wú)線RF傳輸電路傳遞給電網(wǎng)集成電路集中收集。

　　3.2 RF遠(yuǎn)程傳輸電路的設(shè)計(jì)

　　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(lái)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(shí)上電后，微處理器串行輸出口TXD發(fā)送一組數(shù)據(jù)，通過(guò)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(shí)間要小于10ms,因?yàn)閴弘姲l(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(jì)的發(fā)射電路要適應(yīng)壓電發(fā)電裝置這個(gè)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(chǔ)能電路，實(shí)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(shí)可以大大減少安裝、運(yùn)輸及管理成本等。

　　3.3 升壓電路的設(shè)計(jì)

　　一般的升壓電路，當(dāng)電源電壓低于DC/DC驅(qū)動(dòng)電壓，DC/DC根本無(wú)法啟動(dòng)及進(jìn)行任何升壓動(dòng)作。因此首先要解決的就是升壓電路的啟動(dòng)問(wèn)題。但是系統(tǒng)增加啟動(dòng)電路必然使整個(gè)電路復(fù)雜化，且電路的穩(wěn)定性降低。本設(shè)計(jì)需要的是一種不加啟動(dòng)電路的升壓電路。

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

　　該系列的主要特點(diǎn)如下：輸入電壓VIN范圍在Ta=-30~+60!時(shí)為0.3~3.0V;Ta=-40~+85!時(shí)為0.35~3.0V;工作時(shí)的消耗電流在VIN=0.3V時(shí)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(shí)耗電小于0.6A(VIN=0.3V);關(guān)閉控制電壓為放電開(kāi)始電壓降0.1V(小于等于3.0V);內(nèi)部振蕩器頻率為350kHz;外部?jī)H接一個(gè)啟動(dòng)電容(CCPOUT);小尺寸SOT235封裝。