寬帶振動壓電俘能系統(tǒng)非線性能量俘獲電路優(yōu)化設計方法.pdf

1、如何為無線傳感網絡節(jié)點持續(xù)供電是目前制約嵌入式傳感應用發(fā)展的關鍵技術難點之一，利用壓電效應俘獲環(huán)境中振動能量是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ慕鉀Q途徑。而實際環(huán)境振動很多是寬頻帶的，迫切需要設計合適的非線性能量俘獲電路以提高電能轉換效率。目前的能量俘獲電路研究大多與壓電發(fā)電機相互獨立，忽略了兩者之間的耦合作用，但實際上這種耦合作用對壓電俘能系統(tǒng)的效率有很大影響。因此，從全系統(tǒng)角度對非線性能量俘獲電路進行優(yōu)化設計具有重要應用價值。
　　并聯(lián)同步開

2、關（P-SSHI）電路是實現(xiàn)寬帶振動壓電俘能的一個重要研究方向，但它的最佳轉換效率受整流電容兩端電壓影響大。為此，本文對經典P-SSHI電路進行了改進，設計了一種基于最優(yōu)電壓控制的非線性能量俘獲電路，并從全系統(tǒng)角度建立了兩類壓電俘能系統(tǒng)耦合模型，在此基礎上對該非線性能量俘獲電路進行了仿真分析與優(yōu)化設計，最后進行了實驗驗證。
　　主要內容和結論包括：
　　1、針對經典 P-SSHI電路最佳轉換效率受負載影響的不足，改進設計了基

3、于最優(yōu)電壓控制的非線性能量俘獲電路（COV-PSSHI），從理論上建立了該電路的輸出功率模型，并進行了電路仿真分析，結果表明：在相同振動激勵下，COV-PSSHI電路的輸出功率明顯大于P-SSHI電路。
　　2、建立了懸臂梁壓電發(fā)電機的等效電學參數(shù)模型，提出了基于有限元仿真的等效電學參數(shù)求解算法，建立了壓電俘能全系統(tǒng)電路耦合模型；基于阻抗等效方法建立了COV-PSSHI電路的等效阻抗電路，并將其作為壓電發(fā)電機有限元模型的線性電負載

4、，建立了壓電俘能全系統(tǒng)有限元耦合模型。
　　3、分別對壓電俘能的全系統(tǒng)電路耦合模型和全系統(tǒng)有限元耦合模型進行了電路仿真和有限元仿真，分析了振動激勵頻率與電路負載對系統(tǒng)俘獲功率的影響特性，并在此基礎上對COV-PSSHI電路重要參數(shù)進行了綜合優(yōu)化，仿真結果驗證了理論模型的正確性。
　　4、設計并構建了振動和旋轉運動壓電俘能實驗臺，對 COV-PSSHI電路的寬帶振動壓電俘能特性進行了實驗測試。結果表明：在相同寬頻振動和旋轉運動