一种具有冷启动功能的自供电压电能量收集系统

文章根据并联同步开关电感收集(parallel synchronized switch harvesting on inductor, P-SSHI)技术,提出一种自供电的压电能量收集系统,实现了在低激励环境下的系统启动和电压输出功能,并基于压电材料分离电极理论设计冷启动电路。该系统采用带有有源二极管的P-SSHI整流电路代替传统的整流结构,以减少整流过程的能量损耗,能够在动态范围内调节输出电压,实现多输出负载的功能。基于0.18μm CMOS工艺仿真结果表明,该系统的电压翻转效率达到85%,输出功率是采用传统整流电路的5.8倍,同时能够产生1.2、1.8 V 2种电压,用于不同负载供电。该自供电能量收集系统可用于解决物联网无线传感器网络节点的自供电问题。     

基于压电的传感器自供电系统设计方法

针对规模化养殖场通风状态监测的需求,设计风致振动压电俘能系统解决监测传感器自供电问题.自供电系统由压电俘能结构和能量管理电路组成,可将风能转换为电能.分析和测试结果表明压电式俘能结构可输出电压10.88 V,功率6.975 mW;LTspice软件仿真结果表明能量管理电路可实现电压转换,并稳定输出电压3.3 V.根据机械系统与电路系统的相似关系,对自供电系统整体建模,Matlab/Simulink软件仿真结果显示:压电俘能结构输出电压10.87 V、功率6.989 mW,自供电系统终端可输出3.3 V电压,结果与俘能结构和能量管理电路仿真、测试结果基本一致,说明系统整体建模正确,方案合理.通过现场测试,通风口处风速为2.6 m/s时,自供电系统能够输出电压3.3 V,为监测传感器稳定供电,该研究可在通风监测传感器自供电系统中广泛应用.      

压电发电充电器的设计

为了收集环境振动机械能,设计一种是压电发电充电器,该系统主要由压电陶瓷发电设备、电能采集电路、升压电路、电池充电电路和电池电量测试部分等构成,实现了对微弱电量的收集、锂电池和镉镍电池的充电和电池电量多通道的检测,具有很好的应用前景。     

基于DC-DC升压和LC振荡的叠层压电陶瓷驱动电源研究

根据叠层压电陶瓷的大容性负载特性,在电路分析的基础上提出了基于DC-DC升压变换器和LC振荡的驱动控制电源,在驱动电路中加入偏置电压,使输出电压在-20 V到100 V之间,满足叠层压电陶瓷的驱动要求.将此驱动器用于压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频率范围驱动.     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．     

一种带有最大能量跟踪的宽动态范围射频能量收集电路的设计

本文提出了一种带有最大能量跟踪的射频能量收集电路.该电路通过加入级数来控制环路自动检测不同级数整流器的输出功率,并比较这些输出功率来选择最佳级数,以求在不同输入功率下均能够保持较高的能量转换效率.因此,能量收集电路在保持高灵敏度的同时,可以提高最高能量转换效率,扩展高效率动态范围.基于该设计方法,一个用于特高频频段的带有级数控制回路的3～5级整流器电路在SMIC 55nm工艺下得以仿真、实现.测试结果表明:在915MHz的工作频率下,所设计的射频能量收集电路的最高能量转换效率可以达到61.4%.与此同时,在19dB的输入功率范围内,能量转换效率均能够保持在最高能量转换效率的50%以上,有效扩展了高效率动态范围.此外,该电路在加入控制环路后,仍然有较高的灵敏度,可以在-16.3dBm的输入功率下,驱动一个纯电容负载,获得2V的输出电压.     

面向智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器

针对智能轴承外圈径向开槽结构中以电池供能的状态监测设备存在应用场合受限的问题，提出了一种适用于智能轴承自供电系统的压电-摩擦复合式振动能量采集器。该能量采集器以带双质量块的三角形单晶压电悬臂梁为基础，在悬臂梁的振动方向上有机集成兼具限位功能的摩擦纳米发电机，实现了振动和限位碰撞过程中压电-摩擦电两种模式的复合协同发电，有效利用了空间并提高了输出性能。同时，利用集中参数法建立了能量采集器的机电耦合动力学模型，通过COMSOL软件分析了不同结构与尺寸对压电悬臂梁固有频率和输出电压的影响，并通过试验验证机电耦合动力学模型与仿真分析的准确性。试验结果表明：所提能量采集器能够在0～28.2 m/s²的智能轴承正常工作振动加速度范围内有效工作；在加速度为2 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达1.28 V和1.05 V;在加速度为20 m/s²时，该采集器的压电和摩擦电单元开路输出电压最大峰峰值分别可达2.85 V和1.18 V。     

一种低频压电俘能器准静态分析与能量收集试验

针对环境中的低频振动能量,基于低频悬臂梁压电结构,建立了压电俘能器的准静态振动模型,并通过数值仿真与试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与数值仿真及试验结果相吻合.当该结构在一阶谐振（58.9 Hz）状态,且激励加速度10 m/s2时,结构开路输出电压可达86.3 V,最大输出功率为27.5 mW.另外,针对压电俘能器的能量存储问题,采用LTC3588-1芯片,设计了相应的能量采集电路,并进行了超级电容充电试验.结果显示,对0.22F 5 V超级电容充电6 000 s可达到3.6 V电压.      

一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置

研究了一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置,从理论上分析了该能量收集装置输出开路电压与悬臂梁尖端位移的关系;利用等效电路,分析了负载输出功率与负载电阻的关系,得出了最大输出功率的负载条件.搭建了一套测量系统,以实现对悬臂梁尖端位移和能量收集装置输出电压的测量,得到了能量收集装置随外界振动频率及振动幅度变化的输出特性曲线,并与单梁结构的能量收集装置结果进行了比较.实验结果表明,相比于单悬臂梁结构,基于碰撞的压电宽频能量收集装置能有效地拓宽工作频率范围,实现了宽频能量的收集.     

太阳能便携式多功能电源设计与实现

设计了一款太阳能便携式多功能电源系统,由太阳能电池、锂离子电池、充放电控制系统等组成.其中电池板供电电压经过Buck型变换器降压后给锂离子电池充电.另外,该一体机提供多种输出方式,一个方式经过LM2676-5.0稳压电路,稳定地输出5V电压,手机、MP3、MP4、数码相机等下小功率设备通过USB口接入即可充电,非常方便.另一方式经过Boost变换器升压,输出16V、19V的电压,可为Pad、笔记本等大功率设备供电.该系统体积小、功能多,实现了真正意义上的便携.     

压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证

提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法.这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析.利用该等效电路法,建立并分析了线性和AC-DC非线性负载电路条件下双压电层并联的振动能量收集器电能预测模型.通过对比发现,经等效电路建模分析得到的电压和功率响应结果与实验测量结果的最大误差不超过5％,这充分证实了等效电路建模分析法能在避免理论建模时的复杂推导过程的前提下,保证电能预测模型的精确性.该研究为创建复杂机械和电学边界条件下压电振动能量收集器电能预测模型提供了一种新的、有效的解决途径.     

压电分流阻尼系统的重置开关控制

对于具有压电分支电路系统的结构提出一种新颖的重置开关控制方法，建立了基于能量释放的控制律来减小系统的总能量：当电路中电感储存的能量达到最大值时，将电路开关短时断开并释放电感储存的能量，当电路开关再次合上后，电感无能量回传给被控结构，从而减小流入被控结构的能量，保证了控制系统的稳定性．对一个悬臂粱的数值研究表明，重置开关控制方法对结构的振动具有明显的控制效果，而且其抑制脉冲响应的性能要优于被动压电分流阻尼技术，对环境和系统参数变化的敏感性比被动压电分流阻尼技术的小．     

内置压电臂流致振动能量收集研究

为了减少压电臂在水中的阻尼以及绝缘和腐蚀等问题,本文提出一种内置悬臂梁的水下压电能量收集装置。首先对带有质量块的压电臂进行了自由振动衰减实验,确定压电臂的固有频率、阻尼比以及机电耦合系数,得到了压电臂固有频率与阻尼比随负载电阻变化的规律。之后在水槽中进行了流致振动能量收集实验,通过调节流速大小,在同一流速下更换不同阻值负载,得到输出电压及功率随流速及电阻的变化规律。结果表明输出电压随着负载电阻的增大而增大,在某一流速下会产生锁频现象,使得输出电压及功率最大。数据分析得到各电阻的最大功率出现在U=0.816 m·s~(-1)处,系统的最大功率出现在电阻值为680 kΩ时。     

V型槽聚光下PV系统的性能研究

设计制作了V型槽聚光PV系统,基于此系统对多晶硅电池阵列和空间太阳电池阵列进行实验研究。结果表明,V型槽聚光下多晶硅电池阵列的最大输出功率为6.198W,是非聚光下的1.21倍。空间太阳电池阵列的最大输出功率由未聚光时的7.834W增至聚光后的14.223W,提高了近一倍。采用通水冷却方法,研究了V型槽聚光下电池工作温度对电池阵列开路电压、短路电流、输出功率和填充因子的影响。聚光水冷后多晶硅电池阵列最大输出功率增加到8.28W,比普通光照下提高了62.67%.     

基于串联电感同步开关控制技术的振动能量回收电路仿真研究

研究了压电振动能量回收电路中串联电感同步开关电路,对开关的控制策略进行优化。首先建立机电耦合模型,通过等效电路建模分析法得到压电振动系统的电学模型;利用Multisim软件建立振动能量回收系统的仿真模型和开关控制电路仿真模型。以负载作为储能元件,分析了压电片受夹电容电压与负载电压的变化。与标准能量回收电路相比,其输出功率提高近4倍。     

超声振动系统非接触式高效电能传输的电路补偿

为提高超声振动系统的非接触式电能传输效率,对系统的电路补偿网络进行了研究和设计。结合压电振子的等效电路和松耦合系统的互感模型,阐明了电路补偿的理论依据,提出各自独立地对原、副边回路进行补偿,以消除互感的影响。结合理论和仿真计算的结果,设计并建立了超声振动系统非接触式电能传输的电路补偿网络。对系统的输出振幅进行实验测量,结果显示:补偿后的振幅得到了大幅提升,且气隙值越大、电功率越大,补偿效果越显著。对于超声振动系统的非接触式电能传输,所建立的补偿方法能够显著地减小无功损耗,提高能量传输效率,补偿网络设计合理、有效。     

压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究

针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出。通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘能的影响规律。实验结果表明:压电俘能器的振动频率随流速的增大而增大,振动幅值在涡激共振时最大,输出功率受流速和外接电阻两者影响,较小外接电阻适合较高流速,较大电阻适合较低流速,压电俘能器在涡激共振处可获得最大的能量输出,当外接电阻为0.5 MΩ、流速为0.41m/s时,实验测试得到了8.3μW的最大输出功率。数值分析结果与实验测试结果吻合较好,验证了数学模型的正确性。     

低频楼梯压电发电装置的数学模型和实验

 为收集和利用密集人群对楼梯的踩踏能量,设计了一种基于低频的新型楼梯压电发电装置,基于RLC 等效内阻建立了该装置的发电电路和数学模型;利用搭建的振动实验平台,对等效电路和数学模型进行实验验证。结果表明,在低频条件下,激励位移越大,频率越小,该压电发电装置输出的电能越大;压电发电单元的实验输出电压为电路中等效电阻Z₂的电压,利用数学模型计算得到的理想电压源电压是实验空载电压的2.64~2.88 倍;通过对实验数据的分析计算,得到了与理论计算电压变化规律相一致的实验电压源电压,两者最大误差为7.1%,验证了该压电发电单元等效发电电路和数学模型的正确性。     

外层型人工视网膜中CMOS感应无线电能接收电路

针对外层型人工视网膜电路对感应无线电能的需求特性,提出了一种适用于外层型人工视网膜的CMOS感应无线电能接收电路。主要实现方法是用CMOS整流器输出作为稳压电路和自偏置电路的电源,而自偏置电路为输出稳压电路提供与电源无关的偏置。采用Cadence 工具和Chartered 0.35 μm CMOS工艺器件模型进行设计,用外层型人工视网膜中的振荡电路阵列作负载,仿真结果表明该外层型人工视网膜中的CMOS感应无线电能接收电路能提供稳定的3.3 V电压输出和大于1 mA的电流负载能力,其版图面积为62 μm×195 μm。     

采用峰值电感电流控制的直流-直流电压转换器

针对可穿戴设备需要小型化和适应各种应用场景要求的问题,提出了一种单电感多输入多输出的升压-降压型DC-DC转换器,以采集多种能量为可穿戴设备供电。由于转换器既需要高的效率,又需要稳定的负载电压,提出了结合峰值电感电流控制策略和基于阈值变频策略的峰值电感电流脉冲频率调制技术。峰值电感电流脉冲频率调制技术根据各输入输出端口状态来改变能量传输频率,从而实现各能量源最大功率点追踪和负载端电压的调制;同时,通过控制每次能量传递时流过电感的峰值电流大小,提高转换效率并降低输出电压纹波。此外,采用两种低功耗控制策略以降低控制电路功耗:使用低供电电压为控制电路供电;令部分控制电路断续工作。采用华润上华CMOS 0.18μm工艺完成了转换器电路及版图设计,并进行了仿真验证。后仿真结果表明,在0.2～3V输入电压范围和0.001～3mW负载范围内,转换器效率能够保持在73.8%以上,控制电路功耗小于300nW。