壓電多方向振動能量收集結(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)備供電依賴于電池或電線供電。使用電池或電線供電存在代價大、更換困難、污染嚴(yán)重等問題，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題的關(guān)鍵所在。壓電式振動能量收集技術(shù)因其能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)微型化與集成化等優(yōu)點，成為研究較為集中的能量收集技術(shù)。
　　本項目組針對目前所研究的壓電式振動能量

2、收集結(jié)構(gòu)只能對單一方向振動激勵進(jìn)行能量收集的特點，提出并研制了立方體-球狀及蒲公英狀多方向振動能量收集器。
　　本文主要研究了多方向振動能量收集結(jié)構(gòu)中各壓電換能元件輸出信號電學(xué)特征，完成了相應(yīng)充電控制電路拓?fù)涞脑O(shè)計及其無源開關(guān)策略實現(xiàn)，并研究了面向振動能量收集結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)頻率調(diào)諧方法，以提高其對外界頻率的適應(yīng)性。主要研究工作及創(chuàng)新點如下:
　　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能量收集結(jié)構(gòu)的動力學(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之間的幅值、相位關(guān)系，為下一步充電電路設(shè)計提供了依據(jù)。
　　針對單電荷源情況，提出了一種改進(jìn)的無源同步電荷提取(SCE)電路，及一種基于倍流整流的同步開關(guān)電感(SSHI-CDR)電路，并對開關(guān)電路中所采用的無源開關(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)載影響的問題。新型SSHI-CDR電路有效利用了開關(guān)過程中電感剩余磁能，在一個機(jī)械振動周期內(nèi)完成四次充電過程，最大輸出功率為已有串聯(lián)同步開關(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，證明了將Electronic Breaker開關(guān)電路分別與SCE

5、及并聯(lián)同步開關(guān)電感(Parallel SSHI)電路結(jié)合，可以實現(xiàn)不同開關(guān)時間，且該開關(guān)電路功耗極低，可以實現(xiàn)各類開關(guān)電路的能量自給。
　　針對多方向振動能量收集結(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