压电能量收集器的研究现状

压电能量收集器是能量转换的核心器件之一,其性能的好坏直接决定输出能量的大小及能量转换效率的高低。综述了压电能量收集器的组成部分和各个方面:压电材料、器件结构及振动模式的特性、应用状况和存在的问题,分析了各部分的优缺点,并对压电能量收集器的研究方向作了展望。     

一种螺旋悬臂梁结构压电能量收集器

提出了一种螺旋悬臂梁结构的可植入式压电能量收集器,这种结构的能量收集器可为植入式医疗器件供电。螺旋结构的设计一方面可以使悬臂梁从多个方向的振动中吸收能量,另一方面还可以降低谐振频率。提出的悬臂梁整体结构厚度为40 μm,宽度为1 mm,整体外部大小为 9 mm×9 mm。该结构中,悬臂梁的末端附上质量块,进一步降低悬臂梁的谐振频率。该收集器的谐振频率为66 Hz,当施加的激励为1g加速度时,输出开路电压为2.2 V,输出功率为4.8 μW。     

基于压电材料的振动能量收集器的谐振频率调节

振动能量收集器的最大输出电压发生在共振状态,因此其谐振频率应与环境振动频率一致.针对振动能量收集器与环境频率不匹配的问题,采用单自由度模型分析了悬臂梁-质量块结构的振动能量收集器谐振频率等性能,加工并测试了压电式的微型振动能量收集器样机,结果谐振频率的误差最大为6％.通过质量调节方法进一步将样机的谐振频率调节了10.5 Hz的宽度.针对50 Hz的振动环境,将谐振频率为58.7 Hz的样机调节到了50.4 Hz,输出电压提高了4倍.     

一种圆弧螺旋压电能量收集器

为了降低谐振频率,实现多方向收集和提高输出性能,提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能,将优化后的模型进行COMSOL仿真,分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器,4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz,输出电压达到12.3 V,输出功率达到400μW。     

多模态下压电振动能量收集器的等效电路仿真

结合有限元分析法和电子电路分析法建立了多模态下压电振动能量收集器与交流-直流（AC-DC）非线性负载电路相连接的等效电路仿真模型。利用有限元分析软件ANSYS确定了压电能量收集器的等效电路参数,根据这些等效电路参数,在PSPICE软件中建立了非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的等效电路仿真模型,并实现了其输出电压和功率的快速仿真。仿真结果表明,等效电路仿真模型可得非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电压和功率,而这是单独使用ANSYS软件完全不能解决的。这为多模态下压电振动能量收集器的电能预测提供了一种简便而有效的分析方法,更为解决任意复杂非线性负载电路条件下压电振动能量收集器的输出电能预测打下了基础。     

一种直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器

提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04μW,测试输出功率最大为5.79μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。     

新型组合螺旋压电能量收集器的设计与研究

提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器。该收集器的底部是直角螺旋结构,顶部是圆弧螺旋结构,圆弧螺旋结构固定在直角螺旋结构的质量块上。通过旋转圆弧螺旋结构90°,可以得到四种结构,角度分别为0°,90°,180°,270°。直角螺旋结构的设计可以降低谐振频率,而圆弧螺旋结构的设计不仅可以降低谐振频率,还可以使整体结构进行多方向能量收集,从而提高输出。文章所提到的单个悬臂梁结构的厚度为1 mm,宽度为6 mm。通过计算及仿真可得,当两种结构的组合角度为180°时,可以得到最大输出电压为13 V,最大输出功率为1.3 mW。     

一种基于故障监测的MEMS压电能量收集器

为了实现对轮船发动机故障监测系统的可持续供电,针对轮船发动机振动特性以及故障监测系统应用需求,设计了一种基于d31工作模式的微机电系统(MEMS)压电振动能量收集器。该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构,与传统单梁结构相比,其降低了MEMS压电振动能量收集器的机械阻尼。通过ANSYS软件对结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁的优化尺寸为2.72mm×3.55mm×0.125mm,硅质量块的优化尺寸为14mm×8.45 mm×0.575 mm。设计了器件的加工工艺流程,并完成了芯片的制作。在加速度2g(g=9.8m/s2),谐振频率606Hz,最优化负载45kΩ下,输出电压为4.32V,输出功率为414.7μW,能够满足故障检测系统的可持续供电需求。     

应用于压电能量收集器的PZT PZN系陶瓷材料

压电材料作为环境振动能量收集器的核心功能材料,是制备高性能能量收集器的关键。该文从提高能量收集效率入手,研究适合于能量转换的高性能压电陶瓷材料。采用两步合成工艺制备出了0.7Pb(Zr0.51Ti0.49)0.99O3-0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZT-PZN)压电陶瓷,研究了La2O3掺杂对其微观结构和机电性能的影响。实验结果表明,掺杂少量的La2O3能显著提高PZT-PZN陶瓷的压电系数(d33)、机电耦合系数(k31、kp)、介电常数(εr)等。当掺杂量为4%(摩尔分数)时,在1 200℃烧结PZT-PZN,显示出良好的压电和介电性能:d33=560pC/N,k31=0.376,kp=0.642,s1E1=16.5×10-12 m2/N,εr=3 125。     

面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了研究在1.5～5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯(PVC)、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯(PVDF)压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。     

悬臂梁式压电振动能量收集器的疲劳分析

建立了悬臂梁式压电振动能量收集器的有限元模型,通过模态分析求解了其一阶固有频率,并通过实验验证了求解结果的准确性。对所建立的有限元模型进行静态分析后将静态分析的结果导入ANSYS nCode DesignLife中进行疲劳分析,结果表明,随着激励位移幅值的增大,压电层的应变与其成线性关系增大,而疲劳寿命迅速缩短,当激励位移增大1倍时,疲劳寿命缩短了284倍。因此在实际应用中,要综合考虑压电悬臂梁的输出电压及压电陶瓷层的疲劳寿命,才能实现最大的电能输出。     

压电俘能器阻抗匹配分析及实验研究

为了研究负载电阻对压电悬臂梁振动俘能性能的影响,使用有限元法对直接与负载相连的悬臂梁压电振子进行压电-电路耦合分析,得到了负载电阻对压电俘能器谐振频率、输出电压和功率的影响关系,并进行实验验证.研究结果表明,随着外接负载电阻的增大,俘能器谐振频率有所增加,从短路谐振频率到开路谐振频率变化范围可达到2 Hz.此外,负载阻值的大小也会影响俘能器的发电能力,负载电阻越大,输出电压越高,但存在匹配电阻使压电俘能器的输出功率达到最大.因此,通过合理选用负载电阻可实现固有频率微调谐和增加发电能力的目的.     

压电悬臂梁俘能器输出特性仿真分析

为了研究压电俘能器的振动频率、内阻抗、负载及输出功率之间的耦合关系,基于ANSYS APDL软件,对单、双晶串联、双晶并联等多种不同配置方式的压电悬臂梁俘能器进行了压电 电路耦合分析。研究表明,俘能器内阻抗随振动频率呈现非线性变化,在短路谐振频率处达到最小值,在开路谐振处达到最大值;俘能器内、外阻抗匹配时,俘能器输出功率达到最优值;俘能器阻尼较小时,最优输出功率出现在短路谐振与开路谐振处,随着阻尼比逐渐增加,最优输出功率出现在两者之间,且只有一个峰值。     

基于PVDF的枕形压电发电装置性能仿真分析

提出了一种枕形压电发电装置,为了解该压电发电装置的发电性能,该文对其进行了有限元仿真。结果表明,弹性金属基片厚度、弧形压电梁宽度及初始曲率半径的增加将引起压电发电装置压电薄膜输出电压的降低;弧形压电梁的长度及弹性模量比的增加将引起压电薄膜输出电压的不断升高;压电薄膜厚度的增加将使其输出电压先增大后减小;弧形压电梁内侧压电薄膜的输出电压都要大于外侧压电薄膜的输出电压,且铍青铜基片压电梁要优于钢基片压电梁。     

低频宽带压电能量采集器的设计与性能分析

为解决悬臂梁式压电采集器存在的高谐振频率和窄工作频带问题,设计了一种由n段梁和n个质量块构成的新型采集器。首先考虑在尺度效应影响条件下建立微段梁的动力学模型,并实验验证了模型的准确性。进而建立了新型采集器的动力学模型,推导了其外界激励的响应及输出电压计算公式。最后以n=2为例讨论了其谐振频率和输出电压方面的性能。结果表明采集器的谐振频率得到大幅降低,在50 Hz以下存在15.25 Hz和23.08 Hz两个谐振点,在20.32 Hz有效工作频带内,输出电压在80 mV以上。     

悬臂式压电能量采集器模型修正

该文以悬臂式压电能量采集器为研究对象,针对Erturk推导的分布参数模型速度频率响应函数（VFF）仿真时发现在0~20 Hz时存在偏差问题,提出了VFF修正方法。首先介绍了含集中质量块的分布参数模型的VFF推导过程;然后通过0~20 Hz内的仿真分析,发现出现较大误差的原因是VFF表达式的第一项,因此,引入含参数α的正弦函数来减小误差。考虑到正弦函数的引入又将导致第二项产生误差,在第二项中引入含参数β的正切函数来减小误差;最后通过误差分析确定参数α、β的最优取值范围,并进行实例分析。结果表明,修正后分布参数模型下的速度频率响应与实验结果吻合。     

压电-电磁复合式俘能器的设计与实验研究

针对现有压电、电磁俘能器不能同时输出大电压和大电流,设计了一种压电-电磁复合式俘能器。根据设计的复合式俘能器结构进行了理论建模,推导出了电压、电流、振幅和输出功率的表达式,并利用Ansys和Ansoft仿真软件对复合式俘能器的输出特性进行了仿真分析。最后通过实验对比分析了压电、电磁与压电-电磁复合式俘能器的输出特性,分析得到在0.6 g(g=10m/s2)加速度作用下,压电-电磁复合式俘能器的最优输出功率比电磁、压电俘能器分别提高了118%、38%,同时3dB带宽可增大67%、25%。     

非线性压电耦合对L型梁俘能器性能的影响

以二自由度的L型梁双稳态压电俘能器为研究对象,研究了非线性压电耦合关系中的一、二次非线性系数对俘能器输出功率和主梁运动的影响。通过对无量纲动力学方程的数值进行了仿真分析,结果表明,当激励幅值较大时,非线性压电耦合对俘能器输出功率和主梁运动有明显的影响;非线性压电耦合系数越大,输出功率越大,而俘能器的振动位移越小。非线性压电耦合的一次非线性系数取正值时,俘能器的响应优于线性耦合时的俘能器响应,取负值,则反之;而无论二次非线性系数取何值,非线性耦合时俘能器的响应都优于线性耦合时俘能器的响应。