壓電多方向振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)及其充電控制方法研究.pdf

1、隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、超精密加工技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，各種微機(jī)電系統(tǒng)及微小型電子設(shè)備的應(yīng)用日趨廣泛。目前，多數(shù)微小型電子設(shè)備供電依賴(lài)于電池或電線供電。使用電池或電線供電存在代價(jià)大、更換困難、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，尋找清潔、可再生的能量取代傳統(tǒng)供電方式是解決能量問(wèn)題的關(guān)鍵所在。壓電式振動(dòng)能量收集技術(shù)因其能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)微型化與集成化等優(yōu)點(diǎn)，成為研究較為集中的能量收集技術(shù)。
　　本項(xiàng)目組針對(duì)目前所研究的壓電式振動(dòng)能量

2、收集結(jié)構(gòu)只能對(duì)單一方向振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行能量收集的特點(diǎn)，提出并研制了立方體-球狀及蒲公英狀多方向振動(dòng)能量收集器。
　　本文主要研究了多方向振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)中各壓電換能元件輸出信號(hào)電學(xué)特征，完成了相應(yīng)充電控制電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)及其無(wú)源開(kāi)關(guān)策略實(shí)現(xiàn)，并研究了面向振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)頻率調(diào)諧方法，以提高其對(duì)外界頻率的適應(yīng)性。主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首先從壓電能量收集結(jié)構(gòu)基本工作原理出發(fā)，結(jié)合壓電方程和振動(dòng)理論給出了一種典型壓電能

3、量收集結(jié)構(gòu)---懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的輸出功率的理論模型。在此基礎(chǔ)上建立了立方體-球、蒲公英狀多方向振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并分析了不同壓電換能元件上輸出的電壓或電流信號(hào)之間的幅值、相位關(guān)系，為下一步充電電路設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　針對(duì)單電荷源情況，提出了一種改進(jìn)的無(wú)源同步電荷提取(SCE)電路，及一種基于倍流整流的同步開(kāi)關(guān)電感(SSHI-CDR)電路，并對(duì)開(kāi)關(guān)電路中所采用的無(wú)源開(kāi)關(guān)(Electronic Breake

4、r)策略進(jìn)行了理論分析。其中，改進(jìn)的SCE電路輸出功率為經(jīng)典AC-DC電路最大輸出功率的2.98倍。且該電路輸出功率恒定，解決了能量收集電路輸出功率受負(fù)載影響的問(wèn)題。新型SSHI-CDR電路有效利用了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電感剩余磁能，在一個(gè)機(jī)械振動(dòng)周期內(nèi)完成四次充電過(guò)程，最大輸出功率為已有串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感(Series SSHI)電路的1.8倍，為經(jīng)典AC-DC電路的8.4倍。同時(shí)，證明了將Electronic Breaker開(kāi)關(guān)電路分別與SCE

5、及并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感(Parallel SSHI)電路結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)關(guān)時(shí)間，且該開(kāi)關(guān)電路功耗極低，可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)開(kāi)關(guān)電路的能量自給。
　　針對(duì)多方向振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的特殊情況，首先提出了多源全橋并聯(lián)電路與多源全橋串聯(lián)電路，然后將單電荷源下所提出的改進(jìn)的無(wú)源SCE電路及Parallel SSHI電路應(yīng)用于多電荷源情況，最后提出一種基于倍壓整流的同步開(kāi)關(guān)電感(SSHI-VDR)電路。其中，多源全橋并聯(lián)電路與多源全橋串聯(lián)電路下，輸出功

6、率分別為單電荷源下經(jīng)典AC-DC電路的1.98倍與1.96倍。多源SCE電路及多源Parallel SSHI電路下，輸出功率分別為多源全橋并聯(lián)電路的4倍與14.36倍。而新型多源SSHI-VDR電路的最大輸出功率達(dá)到多源Parallel SSHI電路最大輸出功率的1.55倍。同時(shí)證明了上述多方向能量收集電路輸出功率均不受電荷源相位差影響，適合相位差變化的多源情況。最后，設(shè)計(jì)了一種低功耗電能調(diào)理電路，結(jié)合能量收集接口電路，可以輸出穩(wěn)定的3