基于PzT压力发电的穿戴式俘能发电系统设计.docx

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基于PzT压力发电的穿戴式俘能发电系统设计

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刘淼金振洲陈晓琦

摘要：文章详细阐述了一种可社交排名的穿戴式俘能发电系统的设计，该系统包括压电俘能装置，电量储存装置，电量统计装置和运动APP。该系统利用PZT压电技术，俘获运动产能，电量收集电路进行能量收集，镍氢电池进行电量存储，通过建模分析电压和电流关系，测量储电模块的电量并通过蓝牙发送至运动APP，根据产电电量的多少进行实时运动排名。

关键词：PZT压电技术;运动产能;实时运动排名

中图分类号：TM91文献标志码：A文章编号：2095-2945（2019）12-0025-02

1概述

近年来，环境振动能量已成为环保研究者的“新宠”，被应用在无线传感器网络的供电系统中，用以取代传统的电池供电。压电能量采集因其具有转化效率高、结构简单、易于实现机构的微小化等诸多优点而成为振动能量采集研究的热点。

科学家们针对压电材料的特性，设置并制作出了多种压电装置。Granstrom等人设计了一种压电背包，该背包在人体走动时上下晃动的过程中提取能量，实验表明，包重220N的情况下，在背包带中植入两根52um厚的PVDF长带，步行速度为3km/h，平均输出可以达到45.6mW。Michele通过将设计的压电悬臂俘能器置于膝盖部位，用以收集人在行走是膝盖弯曲产生的能量。但是所述的采用压电等技术制作的俘能装置因体积大，笨重，且不适于向大众推广。本文提供了一种轻便小巧、能引起大众环保意识的穿戴式俘能发电系统设计来有效利用运动产能的。

该系统首先采用多片并联PZT陶瓷发电片进行压力发电;产生的电能通过电量收集电路，储存到可充电镍氢电池中;外加的电量统计模块采用开路电压法，利用AD转换芯片测量电池的开路电压，进而通过查询特性曲线图得到电池中的电量，并将电量数据通过低功耗蓝牙通信模块定时传送至运动APP，运动APP对数据处理计算后进行运动产电排名。

本文所设计的系统抓住运动健身APP的热潮，将轻便穿戴式俘能装置收集的电量数值发送至运动APP，进行统计排名，將节能环保的意识传递给每一个使用者。

2压电俘能

系统中该模块选用高效节能的PZT压电陶瓷发电片作为核心器件，通过在鞋底部及身体其他部位设置PZT材料实现压电俘能。利用压电材料可直接实现机械能到电能的转换，所存储的电能可实时供电给手机等智能设备。为提高输出功率，使用多片PZT并联进行发电;在实验过程中，为加强挤压效果，在压电片上黏上高弹橡胶块。PZT常用参数如下表格1所示：

3储存电能

压电陶瓷片在振动环境中只能输出低功率、小电流的交流电，无法直接输出到储电设备。通常需要设计附加的能量采集电路，以便完成交直流转换和能量存储。为了进一步提高发电输出功率，我们将在压电片输出端接入以LTC3588-1电源管理芯片为核心的电压变换电路以及LTC4071充电控制芯片为核心的充电控制电路，将收集到的电能变换后存储到电池中。该采集电路能稳定输出4.1V直流电压来为电池充电，实现了将压电片产生的电能存储到锂电池，具有应用前景。

结合已有的1.2V可充电镍氢电池，给其充电最低功率达到0.23W即可实现充电。所以，选用镍氢电池能在压电俘能输出功率较小的情况下实现储电功能。为达到给移动设备充电的目的，采取多节镍氢电池并联储存电量;放电时通过升压模块进行将输出电压升至指定值。

4电量统计

通过上述技术实现，我们成功将运动能量转化为电能存储在储电模块之中。本设计中用开路电压法计量储电模块中的电量。开路电压法操作简单，具有可行性。其根本思路是根据电池的剩余电量与开路电压有一定的关系而建立的。使用该方法时，采用AD转换芯片测量电池的开路电压，进而通过查询特性曲线图得到估计的电量值。

查询资料吸相关实验数据得到如图2。

电量统计模块在每日清晨，对电池储能模块进行一次电量计量。测出电池电压，按上面给出的表格数据，计算对应的电量，并以此为基准电量。此后，用户打开运动APP时，电量统计模块实时计量以此当前电量，并将其与基准电量的差值通过蓝牙通信模块传送至运动APP，进行实时运动产电排名。

5实时通信

通信模块选用低功耗蓝牙芯片为主体，数值传输准确，传输效率较高，并且在传输的过程中所损失的能量较少，从而达到了节约能源这一目的。

当用户打开运动APP界面，需要查看排名时，蓝牙通信模块便将电量统计模块对产生电量的统计值实时传送至运动APP，从而让运动APP进行运动产电排名。

6结束语

通过测试不同参数与不断对比可行的方案，我们证实了该系统的可行性。系统设计小巧，实用耐用，便于运动时携带，同时与移动端运动APP的结合，符合大众的心理需求，易于推广。未来该系统可往小型化方向进一步产品化，可以设计成更贴合各种运动、健身活动的外观产品。

科技创新与应用2019年12期

科技创新