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等效电路模型及其能量回收转换电路研究——以压电发电系统为例
时间:2020-08-23 09:18 | 栏目:在职硕士 | 浏览:次
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本章主要通过实验分析了，不同负载下几种接口电路能量回收的工作状况，以及不同开路电压下接口电路的回收效率分析。实验表明：SP-SSSHI 在低负载环境下回收能量效率最高，SP-PSSHI 接口电路在高负载情况下回收性能在三种电路中性能最好。对于不同开路电压下，SSHI 电路在高电压下功率最好，Standard接口电路在低电压下，表现比 SSHI 电路出色。
第 1 章 绪论
1.1课题研究背景及意义
随着 5G 技术的快速发展，各种微型器件、可穿戴设备及无线传感网络(WSN)节点层出不限[1]，使得人们的生活更加便利。然而，小型化、微型化发展趋势对各种电子产品和微型设备提出了更高的要求，其中如何为这些微型电子产品和设备提供足够的电能是最为关键的技术之一。通常无线传感网络的节点通过外部供电，其主要方式是采用太阳能供能，但是太阳能易受天气、光照强度以及场所等条件制约。若采用电池供电，虽然其供能稳定，但是其本身的污染、供能的有限，在能量耗尽时进行拆卸可能对无线传感设备带来不可恢复性的伤害；在一些极端的环境和情况下（战场、人体、核污染地区以及空间极小的地方），电池的更换极其困难，甚至不可行等弊端日趋明显。不断提高的超低耗电路的设计技术、使用超低耗器件、网络通信协议的优化等，使得许多微型产品的功耗甚至达到了微瓦量级。但是在这个万物互联的社会，无法从根本上解决电力供应的问题。因此，研究人员致力于研究向无线传感网络等微型设备供电的可持续、环保的新型能源。自然界中包含有多种能量，比如振动能、太阳能和风能等。由于风能和太阳能容易受环境条件制约，且微型化较困难，目前不太适合应用于微型设备和传感网络的供能上。相比之下，环境中的振动能几乎无处不在，环境的局限性小，可持续并且环保。因此更多学者和专家将目光投向了振动能量采集[2,3]。目前，振动能量采集有以下几种方式：静电式能量采集技术、电磁式能量采集技术以及复合型能量采集技术。静电式能量采集易于集成化，体积较小，输出电压较高，但是需要外接电源，且设备的制作工艺比较复杂，难度高，其能量密度低。电磁式能量采集需要外接电源，稳定性好，但是装置比较复杂，体积又比较大，因此目前只适用于大型设备供电。能量采集器目前有以下几种[7-12]：
(1)压电式，对该采集模式进行研究，当机械结构中有压电材料的时候，如果此时发生振动，那么就会产生压电效应，从而使能量发生转化。压电式具有装置体积小、能量密度高、环保等特点，工作时不需要额外电源，能适应各种极端恶劣环境，因此更适合传感网络的供电需求[4-6]。
(2)磁致伸缩式，对该采集模式进行研究，其是当磁性材料由于受到某些因素影响从而改变磁化状态的时候，引发的尺寸变化[12-13]。当有振动能量存在的时候，磁致伸缩材料的磁化状态会发生改变，导致系统中磁通量发生改变，从而使系统中有感应电流产生。
(2)磁致伸缩式，对该采集模式进行研究，其是当磁性材料由于受到某些因素影响从而改变磁化状态的时候，引发的尺寸变化[12-13]。当有振动能量存在的时候，磁致伸缩材料的磁化状态会发生改变，导致系统中磁通量发生改变，从而使系统中有感应电流产生。
(3)静电式，对该采集模式进行研究，其又可以被称作电容式振动能量采集器，该模式在进行采集的时候，是以静电效应为基础的，当系统进行充电和放电的时候，就可以让能量发生转化。其可以根据振动模式进一步划分，从而分成三种不同的振动类型。第一种是极板纵向运动振动，第二种是极板横向运动振动，第三种是旋转型振动。无论是哪种振动模式，其都是让驻极体回路的电容发生改变，从而改变系统中的电流，并最终使系统有电能产生。
(4)电磁式，对该采集模式进行研究，其可以根据拾振结构进一步划分，从而分成三种不同的振动类型。它的原理是振子采集到周围环境的机械能量，当线圈和磁铁做相对运动的时候，就会改变磁通量，从而使系统中有感应电动势产生。
1.2 国内外研究现状
随着人工智能和 5G 技术的发展，无线传感网络技术的普遍应用，压电能量采集技术不断成熟，目前针对其研究的内容主要包括：
(1)对压电采集技术的实际应用进行研究。
(2)对压电采集技术的接口电路优化进行研究。
(3)对压电采集器理论模型进行构建并进行验证。
Goldfarb 等(1999 年)研究了一种线性的的 PZT 叠堆模型，并对其能量回收的效率做了一定的研究。他的研究表明此模型的最优效率发生在比发生共振时还要低的低频段[16]。随后，国外研究学者 Clark 等人经过深入的研究和分析后指出，可以在 PZT 换能器上分别使用横向的力和极化方向的力，之后通过实验对比，结果表明压电陶瓷薄片，即使面积仅有 1 平方厘米，其产生的功率也能给 MEMS供电，需要明确的是，MEMS 为微瓦数量级[38]。由于压电材料对于能量的转化作用，学者考虑到其在噪音控制方面的研究通过利用两片压电材料膜来达到降噪目的，其中一片的作用是让能量可以被吸收，随后该能量可以让另一片对噪音进行抑制[39]。此后，大多数针对能量采集器结构的研究主要集中在压电能量采集器悬臂梁结构的分析与改进，其结构相对简单谐振频率低，制作难度低。
图 1-1(a)为压电单晶片结构，是最早期的压电能量采集器的悬臂梁模型，可以看到它仅仅在金属梁上面粘贴了一层压电陶瓷片[40]。但是其采集效率较低，随着研究的深入，专家学者们提出了双晶片结构，即在悬臂梁的上下两面都粘贴压电陶瓷片，如图 1-1(b)所示。双晶片结构提供的功能比较完善，双晶片悬臂梁结构又分为串联型压电双晶片结构和并联型双晶片结构。Ng[18]研究结果表明，晶片的振动频率和负载值都处于较低的范围，单晶片结构的采集器输出性能最好。对于串联型双晶片结构，当激振频率和负载值较大时，其具有最佳输出特性。如果负载值在中间值范围内，激振频率在中间值范围内，对并联型压电双晶片进行研究和分析可以发现，其结构性能最优。在二十一世纪初期，法国一家实验室对无线传感器网络系统展开深入研究，以反应性离子刻蚀技术为基础研究压电微能源获取装置，并让该装置的结构为悬臂梁式[45]。对该结构展开深入的研究和分析可以明确，在其一侧有一个以硅为原料加工成的立方体质量块，在其另一侧有一个悬臂梁，其能够与基体连接。图 1-1(c)所示的就是该结构，对该图片进行深入的研究和分析可以明确，当共振发生的时候，无论是其上表面还是下表面，都会发生尺寸变化，从而引发压电效应。当压电效应发生之后，就会产生电荷，此时获取电路可以收集这些产生的电荷。如果想要让该装置的电压或者电流增大，那么就可以采用并联或者串联的方式进行。此外，该设备的共振频率模式种类较多，从而使其带宽可以被扩大。
第 2 章 压电能量采集的理论知识
本章简要介绍了压电方面的一些主要的基础理论知识，包括压电效应、压电材料、压电材料特性参数以及压电方程四个方面，为压电能量采集系统的研究提供了理论支撑。
2.1压电效应
机械能和电能之间可以互相转化的现象，就是压电效应。对该效应展开深入的研究和分析可以明确，其包括有两种类型，一种是逆压电效应，一种是正压电效应。对后者展开深入研究和分析可以明确，1880 年由法国物理学家 Pierre Curie和他的哥哥 Jacques Curie 发现[43]，并在不久后他们又通过实验验证了逆压电效应。正压电效应就是当某些电介质受到压力发生形变，从而使电极化现象能够产生。如果给予其一定的压力，那么就可以改变晶体内部的电荷排序，原本其处于无序状态，在有压力存在的条件下，其会转变为有序状态。当正负电荷在晶体的上表面和下表面有序排列之后，就导致有电势差生成。相应的撤回压力之后，压电晶体内的电荷又重新回到混乱的状态，如图 2-1(a)所示。逆压电效应，晶体受到电场作用时，晶体中的电能将会发生准备，最终形成机械能。在没有电场存在的时候，晶体的状态会恢复。图 2-1(b)所示的就是逆压电效应。
2.2压电材料
压电材料是压电能量转换的基础，自从压电效应被发现之后，国内外专家学者对压电材料的研究越来越多，并在之后研究出许多类别的压电材料。对现在比较常用的压电材料进行研究和分析可以发现，其主要包括的类型有：压电单晶体压电材料是最早应用于生产和实验研究的，石英晶体广泛存在于我们的生活中，当有外加交变电场激励的时候，压电石英晶体就会产生震荡，但是其不会损失太多的谐振能，并且具有比较稳定的振荡频率，此外，该材料具有稳定的化学稳定性和优良的机械性，因此从二十世纪四十年代开始，该材料就被用于多种设备中，并发挥了频率基准的作用，比如数字电路、电视、石英钟等。压电材料中的砷化镓等，存在一些不足，比如其具有较低的介电常数，具有较弱的压电性等，从而使其应用的较少。压电陶瓷材料是当前研究中使用最多的能量采集材料，顾名思义，压电多晶体是由无数个压电单晶体组合而成，包含 PZT、BaTiO3、PTiO3 等，其无论是压电性还是介电常数，还是加工难易程度，都比压电单晶体性能更为优越，因此被广泛的应用于各类研究与生产实践。压电聚合物是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，如果薄膜的厚度方向施加一个高压电场（直流），就使得薄膜成为拥有压电性能的高分子薄膜，这种薄膜具有稳定性好、频带宽等优点。压电复合材料，顾名思义，是由压电陶瓷与聚合物两种材料复合而成，同时兼具高压电性能，又有聚合物的特性，往往其中的某些性能远远优于其他单一型材料。
第 3 章 压电发电系统的等效电路模型
3.1 悬臂梁采集器结构及工作原理
3.2 集总参数模型
3.3 等效电路模型建立
3.4 等效模型验证
3.5 本章小结
第 4 章 压电能量采集接口电路设计与仿真
4.1 Pspice 电路仿真软件简介
4.2 压电发电元件电路模型
4.3 标准能量回收技术接口电路
4.4 串联型同步开关电感技术接口电路
4.5 并联型同步开关电感技术接口电路(SP-PSSHI)
4.6 对比分析
4.7 本章小结
第 5 章 压电振动能量采集系统的能量流分析
5.1 悬臂梁压电能量采集系统能量流分析
5.2 基于标准(Standard)接口电路能量流分析
5.3 基于同步开关电感接口电路(SSHI)能量流分析
5.4 数值分析
5.5 实验验证
5.6 本章小结
第 6 章 实验结果分析
6.1 实验平台的搭建
6.2 接口电路实验结果与分析
6.2.1 标准接口电路
6.2.2 SP-SSSHI 接口电路
6.2.3 SP-PSSHI 接口电路
6.3 对比分析
6.4 本章小结
第 7 章 全文总结与展望
7.1全文总结
本文综合考虑压电能采集器的结构和接口转换电路的耦合作用，建立了悬臂梁式压电振动能量采集器端的等效电路模型，对压电能量采集接口电路进行设计仿真与实验分析，并且从不同接口电路对压电能量采集系统能量流的角度去分析能量采集器的回收效率，此外通过能量流角度进行仿真和实验，验证了压电能量采集器等效电路模型的正确性。首先根据悬臂梁压电振动能量采集器的集总参数模型和运动方程建立了采集器端的等效电路模型，并通过对采集器端的输出功率进行仿真分析与实验，验证了等效模型的合理性。接着针对压电能量采集的接口电路，Standard 接口电路、SP-SSSHI 接口电路以及 SP-PSSHI 接口电路进行设计并对比分析电路之间的优劣性，并分析了各接口电路的工作状态，最后通过仿真与实验，分别研究了不同负载和不同开路电压对于采集系统回收功率的影响。最后针对整个悬臂梁压电能量采集系统进行了能量流分析，建立了采集系统电荷-电压轨迹，分析了各部分能量流动轨迹，并通过仿真与实验分析，一方面验证了采集器等效电路的正确性，另一方面研究并得出各个评估因子和采集系统回收效率的关系。
通过本论文的研究，主要得出了以下结论：
（1）考虑到压电能采集器的结构和接口转换电路的耦合作用，通过悬臂梁式压电振动采集系统的集总参数模型和采集器运动方程建立了采集器端的等效电路模型，并通过采集器端的电性能验证了模型的正确性；
（2）对于接口电路的实验和仿真，发现 SP-SSSHI 比较适用于低负载情况下，而 SP-PSSHI 相对来说在高负载情况下回收效率更高，而标准接口电路的回收性能相对较差，低负载时比 SP-SSSHI 电路低，但在高负载时高于 SP-SSSHI 电路，但是此时位于高负载的 SP-PSSHI 接口电路功率高于 Standrad 接口电路的回收功率，效率最高。当达到一定的阈值，随着负载的增大接口电路的回收功率都在不断减小。此外，接口电路在不同开路电压下，负载最优时，SP-SSSHI 和 SP-PSSHI在低开路电压情况下回收功率低于标准接口电路，当电压高于一定的阈值自供能SSHI 电路的性能明显高于标准接口电路，并且 SP-PSSHI 接口电路在高压情况下，比 SP-SSSHI 接口电路表现更加优良。
（3）通过对悬臂梁采集系统的能量流分析，在 Standard 接口电路采集系统中，二极管导通电压系数d越小，能量采集因子hk 越大，损耗因子dk 越小，提取因子sk 几乎不变，且整流电压系数的范围越大，可以提高采集系统回收性能。此外，提高机电耦合系数2dk ，Standard 接口电路采集系统的评估因子都提高了，但是总体性能也在提升。而对于 SSHI 接口电路采集系统，随着电压翻转系数 的减小，能量采集因子hk 、损耗因子dk 和提取因子sk 都在增大，由于损耗因子增速远大于采集因子增速，所以随着电压翻转系数增小，系统总的回收性能降低。对于二极管导通电压系数d ，其值越小，采集系统性能越好。对比 SSHI 接口电路采集系统与标准接口电路采集系统，SSHI 接口电路采集系统回收效率更高。
7.2展望
本文主要研究了悬臂梁式压电能量采集系统通过采集系统的集总参数模型和运动方程建立采集器端等效电路并针对压电能量采集系统接口电路进行分析研究，最后将不同接口电路代入到采集器端进行整体的能量流分析，通过仿真分析和实验研究，得出对于能量回收性能影响的几个重要因子，并通过仿真与实验进一步验证了结果的正确性。但是由于实验条件和时间的限制，本人虽然在现阶段的研究过程中取得了一定的结论和成果，但仍然有许多不足的地方，在实际应用上也需要进行很多实践。
(1) 本文主要是在线性单频压电能量采集器下进行的实验，在非线性宽频情况下，对于悬臂梁压电采集器等效电路及其接口电路的仿真与实验需要进一步去研究。
(2) 本文所研究的接口电路的回收效率仍然有待提升，改进接口电路，提高回收效率，需要进一步的研究与探索。
(2) 本文所研究的接口电路的回收效率仍然有待提升，改进接口电路，提高回收效率，需要进一步的研究与探索。
(3) 本文主要针对压电能量采集接口电路部分研究，对于在能量采集系统的结构上和机电耦合的方式上也可以做一定改进从而提高能量回收效率。
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