1、振 动 与 冲 击第 31 卷第 16 期 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol31 No16 2012基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 10972102) ; 教育部博士点基金资助项目 ( 200802870007) ; 江苏省科技支撑计划项目 ( BE2009163)收稿日期 : 2011 04 26 修改稿收到日期 : 2011 06 30第一作者 刘祥建 男 ， 博士生 ， 1980 年生压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势刘祥建 ， 陈仁文( 南京航空航天大学 智能材料与结构航空科技重点实验室 ， 南京 210016)摘 要 : 随着无线技
2、术及微机电技术的日益发展 ， 以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露 ， 压电振动能量收集装置以其结构简单 、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视 。从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手 ， 从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述 。在结构设计方面 ， 以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线 ， 详细介绍国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新 ;在能量收集电路设计方面 ， 以能量收集效率的提高为主线 ， 介绍了电路结构的优化改进 。最后 ， 总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向 ， 为从事压电振动能量收集研究的人
3、员提供参考 。关键词 : 压电振动能量收集 ; 宽频带 ; 多方向 ; 能量收集电路中图分类号 : TN384 文献标识码 : ACurrent situation and developing trend of piezoelectric vibration energy harvestersLIU Xiang-jian， CHEN Ren-wen( Aeronautics Science Key Laboratory for Smart Materials Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanj
4、ing 210016， China)Abstract: With the development of wireless technology and micro-electro-mechanical technology， the flaws ofelectrochemical batteries as power sources have gradually appeared On the contrary， piezoelectric vibration energyharvesters receive more attention because of their advantages
5、 of simple structure， no pollution and easilymicrominiaturizing Beginning with the piezoelectric materials and their piezoelectricity， the piezoelectric vibration energyharvesters were reviewed on the aspects of structure design and energy harvesting circuit design Based on the directivityand respon
6、se band of the piezoelectric vibration energy harvesters， the improvements on the structure design wereintroduced in detail In view of the energy harvesting efficiency， the improvements of the energy harvesting circuit designwere also introduced The development perspective of the piezoelectric vibra
7、tion energy harvesters was summarized Thestudy will be helpful for the researchers who are engaged in the studying on the piezoelectric vibration energy harvestingKey words: piezoelectric vibration energy harvesting; wide band; multi-direction; energy harvesting circuit随着微机电系统技术和集成电路技术的不断发展 ， 小尺寸 、低
8、能耗的微电子设备的研发取得了巨大进展 。而与之相关的微型能源技术的发展却相对滞后 ，同时由于化学电池尺寸大 、寿命有限和需要更换等缺点 1， 在一些微电子产品中的应用受到了限制 ， 尤其对于目前发展迅速的无线传感网络和嵌入式系统 ， 这种缺陷将表现得更加明显 。尽管人们运用微机电系统工艺研制了相应的微能源器件 ， 比如微太阳能电池 、微锂电池及燃料电池等 ， 微太阳能电池虽然可以实现长期供能 ， 但其受天气 、应用场合所限制 ， 而锂电池及燃料电池能量密度较低 、寿命有限 ， 因此 ， 如何实现微机电系统器件长时间的供能已成为人们亟待解决的问题 。振动作为自然界常见的现象 ， 由于其几乎无处不
9、在且具有较高的能量密度 2， 因此对振动能量的转化及其收集利用的研究在近几十年逐步兴起 。目前 ， 用于实现振动能量收集的装置种类是繁多的 ， 有电磁式收集装置 3 4、静电式收集装置 5及压电式收集装置 6 19等 ， 其中以压电式收集装置的研究为最多 。因为与其它能量收集装置相比 ， 压电式装置具有结构简单 、不发热 、无电磁干扰 、清洁环保和易于微型化等诸多优点 。随着对基于压电材料的振动能量收集装置研究的广泛展开 ， 出现了各种各样的压电发电装置 ， 如悬臂梁单晶 /双晶结构 、Cymbal 结构 、叠堆形结构等 。本文介绍目前振动能量收集常用的压电材料 ， 并给出了其压电性的产生机理
10、 。以压电振动能量收集结构的方向性和响应带宽为主线 ， 详细报道近几年来国内外在压电振动能量收集技术方面的研究动态 ， 给出了其研究趋势的几点思考 ， 为从事压电振动能量收集技术的研究者提供参考 。1 振动能量收集常用的压电材料及其压电性1. 1 压电陶瓷材料压电陶瓷经过几十年的研究 ， 取得了重大进展 ， 已成为国内外最重要的功能材料之一 。压电陶瓷的特点是 : 压电常数大 ， 灵敏度高 ; 制造工艺成熟 ， 可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能 ; 成形工艺性也好 ， 成本低廉 ， 利于广泛应用 。压电陶瓷材料中最常用的为锆钛酸铅 ， 又称为 PZT。虽然 PZT 型的压电陶瓷
11、材料应用最为广泛 ， 但 PZT 压电陶瓷较脆 ， 在使用过程中易碎 ， 使得 PZT 压电陶瓷片在振动能量收集中不能承受较大的应变 。Lee 等 20研究表明 ， 在高频周期载荷作用下 ， 压电陶瓷极易产生疲劳裂纹 ， 发生脆性断裂 ， 这也是压电陶瓷材料在使用中的一大缺陷 。压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体 ，它由无数细微的电畴组成 。无数单晶电畴的无规则排列 ， 使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性 。为了使之具有压电性 ， 必须进行极化处理 ， 即在一定温度下对其施加强直流电场 ， 迫使 “电畴 ”趋向外电场方向作规则排列 。极化电场去除后 ， 趋向电畴基本保持不变 ，
12、 形成很强的剩余极化 ， 从而呈现出压电性 。1. 2 压电薄膜材料压电薄膜材料是一种高分子聚合物 。聚合物压电性的研究始于生物物质 ， 如木材 、羊毛和骨头等 ， 后来扩大到合成高聚物 ， 但由于压电性不高 ， 均无实用意义 。1969 年 日 本 的 Kawai 报道了聚偏二氟乙烯( PVDF) 在高温高电压下极化后可产生有工业应用价值的压电性 ， 使压电聚合物的研究发生了历史性的转折 。压电聚合物的典型代表就是 PVDF， PVDF 压电薄膜具有柔性好 、机械强度高 、声阻抗易匹配 、频响范围宽 、能抗化学和油性腐蚀等优良特性 ， 且可加工成大面积和复杂形状的膜使用 ， 为压电材料的应用
13、开辟了一个新的领域 。PVDF 压电性 21的起源一直是一个争议的话题 ，PVDF 是半结晶性聚合物 ， 片晶镶嵌在非晶相中 ， 且两者具有不同的介电性和弹性 。一般认为 ， PVDF 的压电性可归因于以下两个机理 : 尺寸效应 。即假定偶极子为刚性 ， 不随外加应力变化时 ， 由膜厚变化所引起的压电性 ， 膜厚度的减小会使膜表面的诱导电荷增加 ; 结晶相的本征压电性 。结晶相的压电性由电致伸缩效应及剩余极化所决定 ， 晶区的极化强度对应变具有依赖性 ， 使晶区产生内部压电性 。2 压电振动能量收集装置结构2. 1 单方向 、单谐振频率压电振动能量收集结构211 单悬臂梁结构在目前提出的众多的
14、压电振动能量收集结构中 ，单悬臂梁结构 22 27发展最为成熟 ， 无论是在理论研究还是在实验研究方面 ， 目前已经积累了大量可供参考的成果 。这主要依赖于单悬臂梁结构的压电发电装置其结构最为简单 。通常 ， 单悬臂梁结构的压电发电装置固有频率较高 ， 而环境振源的频率一般较低 ， 因此 ， 为了降低单悬臂梁结构振动的固有频率 ， 通常在悬臂梁末端加装一金属质量块 ， 其典型结构如图 1所示 。图 1 单悬臂梁典型结构示意图Fig1 Sketch of piezoelectric cantilever矩形单悬臂梁结构是目前压电振动能量收集中常用的结构形式 ， 主要是因为其结构简单且便于加工制作
15、 。同时很多研究者对其它形状的单悬臂梁结构也进行了相关研究 ， 以期望能够获得较高的能量转换效率 。Mateu 等 28对矩形和三角形的单悬臂梁结构进行了对比研究 ， 在悬臂梁固定端宽度和三角形悬臂梁厚度与矩形悬臂梁厚度相等的情况下 ， 在受到相同的载荷作用时 ， 三角形单悬臂梁产生的应变更大 ， 产生的电能更多 。因此 ， 得到三角形单悬臂梁单位体积收集的能量比矩形单悬臂梁要多 。在国内 ， 哈尔滨工业大学的谢涛等 29对矩形 、梯形和三角形的单悬臂梁进行了研究 ，研究表明 ， 在相同的外部激励下 ， 三角形单悬臂梁收集的能量最多 ， 梯形单悬臂梁次之 ， 矩形单悬臂梁收集的能量最少 。21
16、2 圆膜型结构对于单悬臂梁结构压电振动能量收集装置 ， 其承受的压力或冲击载荷不能太大 ， 在一些冲击载荷较大的场合中就限制了其应用 。Ericka 等 30设计了一种能够承受较高载荷的圆盘形压电能量收集结构 ， 其压电振子由直径为 25 mm 压电层与圆形铜薄片粘贴而成 。实验研究表明 ， 在 2 g 加速度 、2 58 kHz 振动频率 、1 M负载情况下能产生 24 V 电压 ， 在相同频率 、加速度条件下 ， 56 k 负载情况下最大输出电能为18 mW。071 振 动 与 冲 击 2012 年第 31 卷图 2 cymbal 型振动能量收集结构实物图Fig2 Cymbal shape
17、piezoelectric vibrationenergy harvesting structureKim 等 31 32研究了一种 cymbal 型压电振动能量收集结构的发电情况 ， 该结构在压电圆片两侧分别粘结一个相同的碟形金属帽 ，其结构形式如图 2 所示 。通过实验研究表明 ， 当压电片的直径为 29 mm， 厚度为1 mm， 钢帽的厚度为 0 3mm， 高度为 1 mm， 空腔直径为 17 mm 时 ， 工作频率为 100 Hz， 作用力大小为78 N 时 ， 产生的功率为 39 mW。2. 2 单方向 、宽频带压电振动能量收集结构上述单方向 、单谐振频率压电振动能量收集结构虽然目前
18、研究得相对较多 ， 但在研究中也发现了其存在的不少缺陷 。以单悬臂梁式压电振动能量收集结构为例 ， 其频带宽度为 2n( 为能量收集结构的阻尼比 ; n为结构振动的固有频率 ) ， 当工作在十几赫兹的低频振动环境 ， 阻尼比为 0025时 ， 其频带宽度不到 1Hz。而实际振动环境的频率一般存在一定范围的波动 ， 压电振动能量收集结构的频带若过窄 ， 将不能很好地满足实际应用的需求 。基于此 ， 如何拓展压电振动能量收集结构的振动频带已成为研究者们着力解决的问题之一 。目前 ， 文献提到的频带扩展方法主要有多悬臂梁 单 /多质量块结构 、单悬臂梁阵列式结构以及频率可调式结构等 。221 多悬臂
19、梁 单 /多质量块结构多悬臂梁 单 /多质量块结构压电振动能量收集结构主要是通过使结构某两阶频率相接近来实现频带扩展 。于慧慧等 33提出了一种多悬臂梁 单质量块压电振动能量收集结构 。其俯视图如图 3 所示 ， 该能量收集结构由三根悬臂梁和一个质量块构成 。实验研究表明 ， 该压电振动能量收集结构的工作频率范围为 113155 Hz， 带宽达到 42 Hz， 在 100 k 负载情况下 ， 在一阶共振频率下 ， 结构输出功率为 68 91 W， 在二阶共振频率处 ， 输出功率达到 155 71 W， 一阶与二阶共振频率之间 ， 最小输出功率为 3756 W。弗吉尼亚理工大学的 Erturk
20、等 34 35研究了一种 L型多悬臂梁 多质量块结构 ， 其结构形式如图 4 所示 。经过研究发现 ， 传统的单悬臂梁结构的一 、二阶固有频率之间至少相差六倍 ， 而通过优化设计的 L 型多悬臂梁 多质量块结构的前两阶固有频率之间只相差一倍 。通过调整结构中悬臂梁的参数 ， 可以使其一阶固有频率与环境振动频率相同 ， 若环境中振动频率稍微变大 ， L 型多悬臂梁 多质量块结构即会发生 2: 1 内共振模式 ， 振动能量在一 、二阶模态之间传递 ， 其振幅甚至比一阶共振振幅要大 ， 输出电能也更大 。他们设计的 L 型多悬臂梁 多质量块结构的前两阶固有频率分别为 238 Hz 和 46 5 Hz
21、。在前两阶固有频率太接近时 ， 他们发现当该结构受到与其一阶固有频率相同的外界振动激励时 ， L 型多悬臂梁 多质量块结构不如单悬臂梁结构敏感 。图 3 多悬臂梁 单质量块结构示意图Fig3 Sketch of multi-cantilever-single-mass structure图 4 L 型悬臂梁结构示意图Fig4 Sketch of L shapepiezoelectric cantilever222 单悬臂梁阵列式结构单悬臂梁阵列式结构压电振动能量收集结构主要是通过设计具有不同谐振频率的系列单悬臂梁结构来实现频带扩展 ， 这样 ， 即使环境振动频率发生变化 ， 则该能量收集结构中
22、总会有某些单悬臂梁处于工作状态 。单悬臂梁阵列式结构压电振动能量收集结构其缺点是在某一频段只有特定的单悬臂梁处于最佳工作状态 ， 能量利用率不高 。图 5 单悬臂梁阵列式结构示意图Fig5 Sketch of multiple piezoelectric cantileversShahruz 36将多个固有频率相近的单悬臂梁进行组合 ， 研究了一种单悬臂梁阵列式结构的响应频带问题 ， 研究的单悬臂梁阵列式结构如图 5 所示 。Shahruz在研究中建立了单悬臂梁阵列式结构的各阶固有频率的理论分析模型 ， 并利用材料参数等效的方式使之适应于压电双晶片悬臂梁结构 ， 通过研究表明 ， 设计单悬臂梁
23、阵列式结构时 ， 为达到扩展频带的目的 ， 应该满足两个条件 : 结构中各单悬臂梁的固有频率有细微差别 ; 各单悬臂梁频率响应的无穷范数应基本相同 。国内哈尔滨工业大学的袁江波等 37根据上述理论通过实验研究了具有 8 个单悬臂梁的单悬臂梁阵列式结构的响应频带 ， 研究表明 ， 根据上述理论所设计的单悬臂171第 16 期 刘祥建等 : 压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势梁阵列式结构其谐振频率的变化范围为 56 72 Hz。223 频率可调式结构频率可调式结构主要是通过固定螺丝或者其它装置 ， 在压电悬臂梁的固定端或者末端施加预应力 ， 从而改变结构刚度 ， 进而改变结构振动的固有频率 。
24、对于这种形式的结构通常比较复杂 。图 6 频率可调式能量收集结构示意图Fig6 Sketch of resonance frequencytunable energy harvesting structureChalla 等 38提出了一种共振频率可调的压电振动能量收集结构 ， 该结构通过在压电悬臂梁末端设置4 块永磁体 ， 利用永磁体之间力的作用来改变结构的刚度 。其结构形式如图 6 所示 。通过研究表明 ，该结构固有频率的相对变化率可以达到 20%， 这种采用电磁力的调频方式的特殊之处在于压电悬臂梁的固有频率既可以调大也可以调小 。Challa 通过实验研究了一固有频率为 26 Hz 的压
25、电悬臂梁 ， 在压电悬臂梁末端电磁力作用下 ， 其频率调节范围为 22 32 Hz， 在此频率范围内 ， 该结构收集到的能量的变化范围为 240280 W。23 多方向压电振动能量收集结构上一节介绍的单方向 、宽频带压电振动能量收集结构能够在较宽的振动频带内收集到较多的能量 ， 增强了压电振动能量收集结构的实用化 。但是 ， 压电振动能量收集结构实际应用中的另一个问题开始引起研究者的关注 ， 即实际振动环境中有些振源的振动方向是变化的 ， 而前面介绍的压电振动能量收集结构的方向选择性很强 ， 在这种情况下 ， 势必会削弱其收集振动能量的能力 。方向的选择性带来的另一个问题是 ， 在安装压电振动
26、能量收集结构时 ， 必须注意环境振动的方向 ， 这有时候需要专业人员才能完成 。基于此 ， 有研究者提出了多方向压电振动能量收集的设计结构 ， 为压电振动能量收集方法的研究提供了一种新的思路 。231 杆环结构南京航空航天大学的李彬 39提出一种杆环结构的多方向压电振动能量收集装置 ， 其结构形式如图 7 所示 。可以看到 ， 该装置由一个金属圆环 、一个两端可以在圆环上自由滑动的轻质杆件 、一个可以在轻质杆上自由滑动的球形或者立方体质量块以及两个连接在质量球和轻质杆与金属圆环接触端的换能结构组成 ， 其中 ， 金属环可以绕过其一条直径的轴自由旋转 。将该装置装入振动系统时 ， 金属球的滑动方
27、向会由于惯性自动调节其振动方向 ， 最终逐渐趋近于外界的最大振动方向 ， 由此达到收集多个方向振动能量的目的 。该多方向压电振动能量收集装置的缺点是 ， 制作时相对复杂一些 ， 对转轴部分要求摩擦小 ， 环和杆在调节方向过程中会消耗一部分能量 ， 方向调节响应可能不够快 ，对外界激励水平小的振动敏感程度够不高 ， 在垂直于杆的振动方向上振动时可能会有死点 ， 长时间工作会导致部件的磨损等 。图 7 杆环结构多方向振动能量收集装置示意图Fig7 Sketch of pole-loop shape multi-directionvibration energy harvesting structu
28、re232 立方体 质量块结构南京航空航天大学的刘祥建等 40提出一种立方体 质量块结构的多方向压电振动能量收集装置 ， 其结构形式如图 8 所示 。该装置由立方体形金属框架 、金属质量块和将质量块与立方体形金属框架连接起来图 8 立方体 质量块结构多方向振动能量收集装置示意图Fig8 Sketch of cube-massshape multi-direction vibrationenergy harvesting structure的 8 个相同的 Rainbow型压电换能器组成 。为了实现该多方向振动能量收集装置对不同方向振动能量的收集 ， 在 Rainbow 型压电换能器与金属框架及
29、金属质量块的联接设计上 ， 采用了万向柔性铰链的结构形式 。实验研究表明 ， 在装置外形尺寸为 3 cm 3 cm 3 cm 条件下 ， 装置在不同方向的外部激励下都能够收集到振动能量 ， 其最大输出功率为 02 mW。其缺点是在某些方向激励下 ( 比如沿着面对角线方向 ) ， 收集到的能量较少 。3 压电振动能量收集装置能量收集电路上述压电振动能量收集装置结构的方向性和响应频带优化设计的最终目的是使装置能够收集到较多的能量 ， 除了上述对压电振动能量收集装置结构的有效设计之外 ， 对装置能量收集电路的优化研究也不容忽视 。3. 1 经典能量收集电路如图 9 所示 ， 经典能量收集电路 41包
30、括一个全桥271 振 动 与 冲 击 2012 年第 31 卷整流器和一个滤波电容 ， 该电路实质上是一个 AC DC变换电路 。电路中全桥整流器的作用是将压电元件输出的交流电压转换成直流电压 ， 滤波电容必须足够大以保证输出电压基本稳定 。图 9 经典能量收集电路Fig9 Standard interface circuit袁江波等 42用此经典能量收集电路对悬臂梁单晶压电发电机进行了实验研究 。当激励频率为 57 Hz， 激励力峰值为 01 N， 负载为 10 k 时 ， 测得电路的输出功率为 118 mW。3. 2 同步电荷提取电路同步电荷提取法是周期性的将压电元件上积累的电荷转移到储能
31、元件上 ， 该方法具有两个特点 : 电荷的提取与机械振动同相位 ; 压电元件多数时间处于开路状态 。其电路原理图如图 10 所示 。同步电荷提取电路电荷提取的过程 ， 实际上是压电元件的静态夹持电容 C0与电感 L 在开关闭合期间 ， 构成了 L C0振荡回路 ， 在振荡的前四分之一个周期内 ， 将压电元件储存的能量转移到电感 L 上 。由于开关闭合的时间是在结构位移与压电元件的电压均达到极值的时刻 ， 因此开关的工作周期与结构振动周期是同步的 ， 这也是同步电荷提取电路的最主要特点所在 。图 10 同步电荷提取电路Fig10 Synchronous charge extraction int
32、erface circuitLefeuvre 等 43对同步电荷提取电路进行了相关研究 。实验测试表明 ， 同步电荷提取电路能量收集的输出功率与所接负载大小无关 ， 且其输出的平均功率为经典能量收集电路最大功率的 4 倍 。该电路的缺点是对开关的控制要求很高 ， 实现较为复杂 。33 并联同步开关电感电路并联同步开关电感电路在压电元件与整流桥之间并联电感 L 和开关 S， 如图 11 所示 。在压电振动能量收集装置结构的位移达到极大值或极小值时 ， 闭合开关 S， 此时 ， L C0形成振荡回路 。经过 1/2 振荡周期断开开关 S， 电压在断开开关 S 这段时间内几乎瞬时的完成反向 。从能量
33、收集的本质来说 ， 并联同步开关电感电路实质上是在结构振动速度变向时 ， 随之改变压电元件两端的电压 ， 增加压电元件阻尼作用的时间 ， 从而将更多的机械能转换成电能 ， 而结构振动速度变向的时刻恰为位移达到极值的时刻 。图 11 并联同步开关电感电路Fig11 Parallel-SSHI interface circuitLefeuvre 等 44对并联同步开关电感电路进行了理论和实验研究 ， 结果表明 ， 该能量收集电路与经典能量收集电路相比 ， 电路的能量收集效率可提高 400%。34 串联同步开关电感电路串联同步开关电感电路与并联同步开关电感电路结构类似 ， 如图 12 所示 ， 其区
34、别在于电感 L 和开关 S是串接在压电元件和整流桥之间的 。在串联同步开关电感电路中 ， 压电元件同样大部分时间处于开路状态 ，每次开关 S 闭合时 ， 压电元件静态夹持电容 C0上存储的一部分能量经过整流桥转移到滤波电容 Cr上面 ， 且压电元件两端电压完成反向 。当开关 S 断开后 ， 滤波电容 Cr向负载供电 。图 12 串联同步开关电感电路Fig12 Series-SSHI interface circuitLefeuvre 等 45 48对串联同步开关电感电路及前述的经典能量收集电路 、同步电荷提取电路 、并联同步开关电感电路进行了比较研究 。研究表明 ， 在力激励时 ，这四种能量收
35、集电路的最大输出功率相等 ， 且同步电荷提取电路输出的功率不受负载大小的影响 ; 在位移激励下 ， 串 /并联同步开关电感电路收集到的能量是经典能量收集电路收集到能量的 15 倍 ， 是同步电荷提取电路的 3 倍多 。虽然串 /并联同步开关电感电路的最大输出功率相等 ， 但是串联同步开关电感电路的匹配阻抗比并联同步开关电感电路的匹配阻抗低四个数量级 。35 降压式 DC DC 变换能量收集电路降压式 DC DC 变换能量收集电路是经典能量收集电路与降压式 DC DC 变换电路的结合 ， 如图 13 所示 。压电元件输出的电能首先经过整流桥 ， 存储在电容 Crect中 ， 然后经过 DC DC
36、 变换电路 ， 将电能转移至储能元件 ， 为负载供电 。降压式能量收集电路通过调节降压式 DC DC 电路的占空比 ， 使电容 Crect上的电压371第 16 期 刘祥建等 : 压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势一直保持在整流桥输出电压的最大值 ， 从而使电路的输出功率最大 。图 13 降压式 DC-DC 变换能量收集电路Fig13 DC-DC step-down interface circuitLesieutre 等 49对该电路进行了相关研究 。研究得到 ， 能量收集电路的最优占空比是 28%， 采用优化控制的情况下效率达到了 70%， 当激励力作用在压电振动能量收集装置上并产生
37、48 V 电压时 ， 该能量收集电路收集到的能量是直接充电电路收集到能量的三倍 。36 双同步开关电感电路能量收集电路设计的目的主要有两点 : 尽可能提高能量收集效率 ; 尽可能使输出功率与负载相互独立 。双同步开关电感电路正是基于以上两个目的提出的 ， 该电路可以为不同负载提供恒定的输出功率 。双同步开关电感电路原理如图 14 所示 ， 它包括两部分 : 一是串联同步开关电感部分 ， 由压电元件 、开关管S1、电感 L1、整流桥及中间电容 Crt组成 ; 二是 Buck-Boost 变换电路部分 ， 由开关管 S2、电感 L2、二极管 D 及滤波电容 Cs组成 ， 但此处开关管的控制方法与传
38、统Buck-Boost 变换电路有所区别 。图 14 双同步开关电感电路Fig14 Double synchronized switch harvesting circuitLallart 等 50对双同步开关电感电路进行了研究 。研究中 ， 装置结构位移幅值保持在 2mm， Buck-Boost 变换电路的效率为 09， 双同步开关电感电路输出的功率为经典能量收集电路的 5 倍以上 ， 是同步电荷提取电路的 15 倍左右 。同时 ， 与同步电荷提取电路类似 ， 双同步开关电感电路输出功率与负载的大小无关 。4 压电振动能量收集装置研究趋向由于具有结构简单 、输出功率较大以及易与 MEMS集成
39、等优点 ， 在国内外掀起了对压电式振动能量收集装置的研究热潮 ， 但无论结构形式 、设计参数如何变化 ， 其最终目的就是能够投入到实际应用之中 。综观上述压电式振动能量收集装置结构及能量收集电路的演化与变迁 ， 不难发现 ， 有以下几点值得关注 。( 1) 高性能压电材料的能量收集应用研究 。压电材料性能的好坏将直接影响着压电振动能量收集装置能量收集性能的优劣 ， 高性能 、新型压电材料的制备及其在振动能量收集方面的应用研究将更进一步的优化压电振动能量收集装置的设计 。例如 Rakbamrung等 51对两种压电复合材料 PZT + 1 mol% Mn 和 PMN25PT 在能量收集方面的应用
40、进行了相关研究 ， 研究表明 ， 相对于 PZT +1 mol% Mn， PMN 25PT 更有利于振动能量的收集 ， 在经典能量收集电路下 ， 后者所产生的最大输出功率比前者提高了 160%。( 2) 新型 、智能化压电振动能量收集结构的设计研究 。在压电振动能量收集装置结构的研究过程中 ，考虑到某些应用场合的振源振动情况是复杂的 ， 这既包括振源的振动方向是变化的 ， 也包括振源的振动频率在一定范围内变化 ， 这就要求所设计的压电振动能量收集结构不仅具有多方向性 ， 同时又具有较宽的频带 。智能化自适应调频的新型多方向压电振动能量收集结构的设计将会引起更多的思考 。如陈仁文等 40提出的立
41、方体 质量块结构的多方向压电振动能量收集装置 ， 是一种区别于前述悬臂梁结构 、圆膜结构的新型结构 。另外 ， Lallart 等 52提出一种压电振动发电机频率自调谐方法 ， 通过可调电压源控制压电驱动器 ， 以此自适应的改变系统刚度 ， 实验研究表明 ， 该方法可以将频带拓宽 400%。( 3) 效率高 、耗能小及简单可靠的能量收集电路的设计研究 。通常 ， 压电振动能量收集结构所收集到的能量较小 ， 耗能小 、高效率的能量收集电路将有效的提高整个压电振动能量收集装置的输出功率 ， 这一点从前述对压电振动能量收集装置能量收集电路的介绍中不难看出 。随着对多压电元件振动能量收集结构研究的展开
42、及对能量收集电路设计的不断改进 ， 简单 、高效 、低耗能的能量收集电路研究将会得到更多的关注 。比如说 ， 前述介绍的能量收集电路都是针对单个压电元件的 ， 而对于多个压电元件的装置结构 ， 就需联接多个全桥整流电路 ， 这样不但增加了电路本身的能耗 ， 而且更加大了电路的复杂程度 。Romani 等 53提出了一种新颖的多压电源能量转换器 ， 这个转换器由一个共用电感器和一组模拟开关组成 ， 大大简化了多压电源能量收集电路的结构 ， 实验研究表明 ， 驱动该组模拟开关的耗能仅为总能量的 1%。5 结 论本文针对压电式振动能量收集装置 ， 对其目前的若干研究动态和进展给出了较为合理的分类和阐
43、述 ，并总结了其未来的研究趋势和方向 。可以看出 ， 影响压电式振动能量收集装置发电性能的因素除了振动能量收集装置本身的结构形式 、能量收集电路及相关设471 振 动 与 冲 击 2012 年第 31 卷计参数之外 ， 另外一点也不容忽视 ， 也即压电振动能量收集装置应用的外部环境 ， 特别是压电振动能量收集装置的结构设计与所涉及的应用环境是密切相关的 ，必须基于振动频谱的基本特性 。压电振动能量收集装置以其结构紧凑 、寿命长和清洁环保等特性 ， 在不久的将来有望成为电池的替代品 ， 为各类微机电系统及低功率无源传感器提供动力 。参 考 文 献 1 Guan M J， Liao W H On
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