系统发电量分析 - 一种基于PVDF的双发电系统的设计

　　2.1 压电材料施力模式及电能计算

　　在实际使用压电材料时，通常采用如下两种施加力的方式：31模式和33模式。31模式表示坐标3方向施加应用，坐标1输出能量;33模式表示坐标3施加应用，坐标3输出能量，如图4所示。由于使用模式33时可以获得更大的输出功率，因此本设计采用33模式进行设计计算。

　　在外界压力作用下的压电材料产生的电荷和电压为：

　　将压电材料等效为一个电容，其储能公式是：

　　式中：d33为压电材料的压电常数;F为作用在压电材料表面的应力;Afp是作用力施加的区域;l,w和t分别是压电材料的长、宽和厚度;r为压电材料的相对介电常数;0为真空介电常数。

　　3 系统电路的设计

　　3.1 无线传感控制系统的设计

　　系统采用的方案是，将相邻的四片压电材料通过一个无线传感器进行实时监测，实现高效、迅速、灵敏且最大限度地收集压电材料所产生的电能。系统无线传感控制系统与电网监测系统的设计原理图如图5所示。

　　无线传感控制系统的工作原理：预先设定无线传感器的额定工作频率及转换的额定工作电压，只有相邻的压电应变片达到预设的工作频率，其应变才能被无线传感器检测到，其产生的电能才可以被无线RF传输电路传递给电网集成电路集中收集。

　　3.2 RF远程传输电路的设计

　　系统主要应用于公路发电系统，也有可能安装在环境较为恶劣的地区，故采用了传输效率高、传输响应频率严格的RF远程传输电路来提高系统能量的收集效率。

　　RF发射电路由发射头电路和微处理器两部分组成，其工作原理是当微处理器和发射头电路同时上电后，微处理器串行输出口TXD发送一组数据，通过发射头电路以电磁波形式发送到空中。数据发送时间要小于10ms,因为压电发电装置所提供的电压在控制电路的调解下每次只能持续1s,故所设计的发射电路要适应压电发电装置这个特性。

　　在系统中，利用RF发射电路将系统电网收集的电能集中传输给升压及储能电路，实现了远程传输和远程控制。在一些特定的区域应用时可以大大减少安装、运输及管理成本等。

　　3.3 升压电路的设计

　　一般的升压电路，当电源电压低于DC/DC驱动电压，DC/DC根本无法启动及进行任何升压动作。因此首先要解决的就是升压电路的启动问题。但是系统增加启动电路必然使整个电路复杂化，且电路的稳定性降低。本设计需要的是一种不加启动电路的升压电路。

　　采用S882Z系列充电泵就能使上述问题迎刃而解。S882Z系列按放电开始电压大小有4个品种：分别为1.8V,2.0V,2.2V及2.4V,在型号后缀中用18,20,22及24来区分。例如，S882Z20是放电开始电压为2.0V的充电泵。

　　该系列的主要特点如下：输入电压VIN范围在Ta=-30~+60!时为0.3~3.0V;Ta=-40~+85!时为0.35~3.0V;工作时的消耗电流在VIN=0.3V时为0.5mA(最大值);有关闭控制，在关闭状态或称休眠状态时耗电小于0.6A(VIN=0.3V);关闭控制电压为放电开始电压降0.1V(小于等于3.0V);内部振荡器频率为350kHz;外部仅接一个启动电容(CCPOUT);小尺寸SOT235封装。