基于压电结构多模态振动特性的宽频带振动能量高效收集系统理论与关键技术研究

Vibration energy widely exists in the industrial production and daily environment. the vibration energy can be converted into electric energy by the piezoelectric vibrator due to the piezoelectric effect。The energy collector can be used for the power supply to low power consumption electronic system. If the frequency response range of the piezoelectric energy collector is too narrow the piezoelectric generator cannot effectively convert energy and the energy harvesting efficiency will be low, resulting in application restrictions. Using the “multimode vibration-driven, the working frequency band will be widened and the harvesting efficiency of the piezoelectric energy collector will be increased. In this project the principle of multimode vibration-drive is applied to piezoelectric energy harvesting and studied on the core component of the piezoelectric vibration energy harvester -- piezoelectric mechanism. we aim to develop the piezoelectric structure with the properties of the frequency to the low order modes is very close to each other。Thus, analysis the dynamic performance of electromechanical conversion, optimize the structural parameters, and analysis the output properties of the multimode vibration-drive piezoelectric energy conversion structure. Designing a multichannel charge harvesting circuit in accordance with the operating characteristics. Meanwhile, we develop a group of wideband piezoelectric energy harvester with the independent intellectual property rights. Our findings will serve as a basis for developing broadband, high energy conversion efficiency and adaptable piezoelectric energy harvesting, which features a great normalized frequency bandwidth and high energy conversion efficiency.

振动在工农业生产生活环境中随处可见。由于压电效应、利用压电振子可把振动能转换为电能并制成能量采集器、为低功耗电子系统供电；若压电型能量采集器频率响应范围窄，则其适用场合将很严苛、能量采集效率低，会限制其应用。用“多模态振动驱动”可以拓宽压电型能量采集器的工作频带和提高收集效率，本项目将“多模态振动驱动”原理应用于压电型振动能量收集，研究压电型振动能量采集器的核心部件--压电机构，研究具有“各低阶模态的频率彼此极为接近”特性的压电结构并分析其动力学机电转换性能，设计优化其结构参数，分析多模态振动驱动的压电结构能量转换输出特性，完成与之工作特性相匹配的多路电荷收集电路的设计，并研制出具有自主知识产权的一组宽频带的压电型振动能量采集器。本项目的研究成果可用于研制宽频带、能量转换效率高、适应性强的压电型能量收集器，它将具有大的归一化频率带宽和高的能量采集效率。

能量回收利用和可再生能源与提高能源使用效率相结合等零碳电力技术研究对缓解全球能源紧张，助力双碳目标的实现，推动人类可持续发展具有重要意义。振动在工农业生产生活环境中随处可见。利用压电振子可把振动能转换为电能并制成能量采集器、为低功耗电子系统供电；若压电式能量采集器频率响应范围窄，则其适用场合将很严苛、能量采集效率低，会限制其应用。项目围绕宽频振动能量采集及利用，开展“多模态振动驱动发电”的压电式振动能量收集技术及为低功耗传感器供电研究。项目研究具有“各低阶模态的频率彼此极为接近”特性的压电结构并分析其动力学机电转换性能，设计优化其结构参数，分析多模态振动驱动的压电结构能量转换输出特性；通过施加位移载荷，分析了折叠压电振子的弹性层与压电层随粘结层厚度变化的疲劳寿命，引入折叠式压电振子的响应曲面优化，通过优化其结构参数，提高能量转换效率及器件使用寿命；制备试验样机，搭建试验平台对压电结构多模态振动时能量转换输出特性开展试验研究。应用非线性开关电源分析理论，开展了与所研究的压电结构的工作特性相匹配的多路电荷收集电路的设计，提出了提出了一种新的并联同步开关电感电荷采集电路和一种基于耦合电感的同步电荷提取和电压翻转电路，实现对双晶悬臂梁压电振子的两个存在180°相位差的电能输出端的能量同时采集，最大输出功率达到700.8μW，是SEH电路最大功率的2.64倍，是Parallel SSHI最大功率的2.01倍；基于Buck结构的同步电荷提取，提出多电荷源输入同步电荷提取电路，折叠式压电俘能器与多源输入能量同步电荷提取（MSI-SECE）电路组成的能量收集器，功率密度高达到12.398μW/mm3∙g2。在应用方面，以笛卡尔-454拖拉机为振源，利用折叠式压电俘能器与多源输入能量同步电荷提取电路组成的能量收集器，完成在90~140 Hz的宽频范围收集转换振动能量并驱动气压传感器工作的试验研究。