基于压电能量收集技术的充电器设计

摘要：为了解决利用压电能量收集技术收集到电能的存储问题，提出了一种充电器的设计方案。利用压电能量收集器和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锂电池。实验结果表明，设计的充电器能够输出4.1V的稳定直流电压来为锂电池充电，实现了将压电能收器收集的电能存储到锂电池，具有应用前景。

引言

近年来，能量的收集日益引起人们的关注。能量收集是近年来在能源危机中发展出来的一个新兴名词，和传统的发电机产生电能的方式不同，能量收集是希望将环境中所未能利用的能源将其转换成人们可以使用的电能然后存储，以达到能源回收再利用的目的。由于压电材料具有响应速度快，成本低，结构简单等优点，基于压电材料的能量收集技术已经成为了一种很有发展前途的能量收集方式，压电材料通过压电效应可以将周围的振动能量转换成电能。由于压电能量收集器产生的电能电压大、电流小、功率小，而且是交流电压。因此不能直接供给电子器件使用，需要先将收集的电能进行变换，然后存储后才能向外供电。

鉴于压电能量收集的电能存储问题，本文提出了一种基于压电能量收集技术的充电器的设计方案。利用压电能量收集器和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，将收集到的能量存储到锂电池。研究了压电能量收集器在谐振状态下，充电器给锂电池充电的时间以及验证充电器充电电路的可行性。

1 压电能量收集器结构及工作原理

压电能量收集器利用压电效应，可以将机械振动能量转换为电能。悬臂梁式能量收集器结构是最常见的振动能量收集器结构，如图1所示为一典型的压电双晶悬臂梁式的压电能量收集器的结构，中间是金属层，在金属层的上下表面都贴有压电陶瓷作为压电层。整个能量收集器形成一悬臂梁结构，一端为固定端固定于基座中，另一端为自由端，自由端上附有一个质量块。基座置于环境中，当它受到振动源作用上下振动时，梁的自由端在惯性的作用下也将上下运动，悬臂梁将发生弯曲变形，上下表面的压电陶瓷一个受拉，一个受压，压电陶瓷中产生横向应力，由于压电元件的机电耦合特性将在电极面上产生电荷，从而将机械的振动转换为电能。

本文中的压电能量收集器采用图1悬臂梁式的结构。其中，压电双晶片采用PZT-5H压电陶瓷，金属弹性层采用#CW617N黄铜材料。

2 充电器电路设计

充电器电路就是将压电能量收集器产生的电能进行整流、DC—DC变换、充电控制，然后将变换后的电能存储到电池。传统的充电电路是采用ESSH和SSDV等技术，这些电路需要电子原件过多，电路自身消耗的能量大，导致能量收集的效率低，而且这些电路需要两个压电能量收集器才能工作。为了提高能量收集和存储的效率，本文设计了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能量收集器收集的电能存储在电池。系统的框图如图2所示。

2.1 电压变换电路

美国凌力尔特公司推出新型电源管理芯片LTC3588-1，以优化对低压电源的管理。LTC3588—1内部集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，通过压电能量收集器收集环境中的振动能量，然后将这种能量变换后输出。

LTC3588-1的输入电压为2.7V～20V。LTC3588-1可对输入的电压进行整流并通过外部电路进行滤波、存储，同时通过内部并联稳压器稳压、限幅。电压变换电路如图3所示。

2.2 充电控制电路

充电控制电路的组成以LTC4071为核心。LTC4071能够实现从非常低电流、断续或连续电能对锂离子/锂聚合物电池的充电。该器件拥有一种接近于零电流的低电池电量闭锁断接功能，甚至可避免容量极低的电池发生深度放电及遭受潜在无法修复的损坏。550nA至50mA的工作电流使得能够采用以前不能用的电源来充电。凭借其低工作电流，LTC4071很适合于对能量收集应用中的低容量锂离子电池或薄膜电池进行充电。

LTC4071提供了一个可通过ADJ引脚来选择的浮置电压，该浮置电压的准确度达±1%。通过在NTC热敏电阻温度高于40℃时自动降低电池浮置电压，该器件的集成化电池热量查验器延长了电池的使用寿命并改善了可靠性。另外，LTC4071还提供了通过LBSEL引脚来选择电池低电量的断接电平和通过HBO引脚来指示电池高电量状态输出。充电控制电路如图4所示。

3 实验与结果分析

压电能量收集器将机械振动能量转化为电能，当压电器件特征频率和外部激励信号频率一致时，能量收集器的输出功率最大。本文通过实验的方法、测得收集器的开路电压与激励频率的关系分别如图5所示。用于实验压电双晶片的中间层长度为70.25mm，宽为53.09mm，厚度为0.2mm;压电层长度为50.33mm，宽为50.33mm，厚度为0.2mm。

由图5可知，当外部激励信号约为11Hz时，能量收集器输出的电压最大。因此，本文中选择激振器的驱动信号为11Hz的简谐正弦信号来进行实验。测试的充电器电路的原理图如图6所示。

在实际测试中，让充电器给容量为8mAH(GMB301009HB)的锂电池充电，当输出的电压低于3.2V的时候，充电器不会给电池充电;为了保护锂电池，充电器最大的充电电压4.2 V。充电器工作时，充电电压为4.1V，充电电流是0.02～0.05mA，经过大约1h，锂电池的电压从2.24V被充到了3.04V，充电的曲线如图7所示。

4 结束语

本文提出的基于压电能量收集技术的充电器设计方案，实现了将压电能收器收集的电能高效率的存储到锂电池。实验结果表明，与传统的充电电路相比，利用LTC3588-1电源管理芯片搭建的电压变换及LTC407 1充电控制芯片为核心的充电控制电路减少了充电时间，降低了电路本身的功耗，实现了给锂电池充电，具有应用前景。