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圧電ベンダーによるエネルギー収集器

この例では、圧電ベンダーを使用して振動する物体からエネルギーを収集するデバイスをモデル化する方法を示します。このデバイスは、このエネルギーを使用してバッテリーを充電し、負荷に電力を供給します。

これらのデバイスは、ウェアラブル デバイスや車載センサーなど、エネルギーの自給が求められる低電力アプリケーションで広く使用されています。

この例で、エネルギーの収集元である振動源は次のとおりです。* 正弦波 — 振動源は一定の回転数で回転する車両エンジンです。* 周波数が増減するチャープ信号 — 振動源は回転数が増減するエンジンです。

モデルの概要

このエネルギー収集器は、圧電ベンダー、整流器および DC-DC コンバーターで構成されます。

圧電ベンダーの左端は、振動する物体に固定されており、運動を強制されます。圧電ベンダーの右端は、追加の質量に接続されています。圧電ベンダーの弾性、質量および慣性により、右端の運動は左端と同期しません。次に、この変形により圧電ベンダーの電気端子間に電荷と電圧が発生し、これが電力として収集されます。

全波整流器が、圧電ベンダーで発生した AC 電力を DC 電力に変換します。これは、4 個のダイオードと、DC 電圧を平滑化するフィルターとして機能する 1 個のコンデンサで構成されます。

降圧コンバーターは、可能な限り最大の電力が負荷に伝送されるように電圧を調整し、電力の伝送が確実に単方向になるようにします。この例では、パルス発生器が固定のスイッチング周波数とデューティ比を使用して、開ループ内のコンバーターを制御します。振動源の周波数が一定でない場合、または振動源に高調波がある場合、より高度な閉ループ コントローラーを設計して、さまざまな条件下で電力伝送を最適化し、エネルギー収集器の効率を向上させることができます。

最初に、エネルギー収集器がバッテリーを充電します。次に、エネルギー収集器とバッテリーの両方が一定の電力負荷に電力を供給します。

正弦波源の結果のプロット

以下のプロットは、一定の周波数で振動する振動源の結果を示しています。

Output power at final time = -2.2657e-13 mW

機械的な観点から見ると、圧電ベンダーは固有の基本振動周波数をもつ柔軟な梁です。圧電ベンダーがこの共振周波数で振動すると、最大電力が発生します。

振動源の周波数が共振周波数に近いため、このエネルギー収集器で可能なほぼ最大の電力が発生します。

チャープ源の結果のプロット

以下のプロットは、線形に増加する周波数をもつ振動源の結果を示しています。

Output power at final time = 0.71469 mW

出力電力は、振動源が共振周波数に近づくにつれて増加します。その後、振動源が共振周波数を超えると減少します。