压电俘能系统基础理论与关键技术研究

The piezoelectric energy harvesting system can convert the ambient vibration energy into the electric power to provide the power to the electronic system. Therefore it is a clear, green and environmental friendly replacement for batteries. It may enable wireless and portable electronic devices to be completely self-sustaining, then the battery may be eventually removed.Usually, the ambient vibrations are unstable, the outputs of the piezo-harvester are unstable too, so it can not provide the power to the electronic devices directly. The performance of the whole system strongly depends on the performance of the piezo-harvester, the coupling coefficient between the piezo-harvester and the power electronic circuit, and the electrical load. In this proposed project, we will study the method to develop high accuracy model of the piezo-harvester, then the relationships between the performance and the structural and material parameters of the piezo-harvester can be found. Besides, we will investigate how the three key parts interact with each other. We will try to establish a system-level model that can capture not only the behavior of the individual part, but also the coupling interactions among them. With such a system-level model, the nature of the electromechanical coupling of the system can be thoroughly understood and the way to further improve and optimize the performance of piezoelectric energy harvesting system can be found.

压电俘能系统可将环境中的振动能转化为电能，为电子系统供电，让电子系统摆脱电池供电的束缚，消除电池对自然环境的污染，符合清洁、环保，绿色的发展方向。在压电俘能系统中，压电俘能器输出的电能是不稳定、无规律的，无法直接为负载供电，需要功率电路对其进行调控，然后再提供给负载。因此。压电俘能系统的各项性能指标强烈地依赖于压电俘能器的特性、压电俘能器与功率电路之间的耦合程度以及后续负载对功率电路的影响程度。本项目将从全系统的角度深入研究压电俘能器高精度理论模型的建模方法，揭示压电俘能器的材料和几何参数与其性能之间的依赖关系，从而为压电俘能器的优化设计提供理论基础；本项目还将研究压电俘能系统内各部分之间相互耦合的基本原理，建立系统级模型，从而找到这些部件之间相互耦合的基本规律，为进一步优化和提高压电俘能系统性能及关键技术问题的解决奠定基础。

压电能量收集技术，利用压电换能器将外界机械振动能量转化为电能，储存在压电振子内部，并通过与其接口的能量提取电路，供给无线或便携式电子系统使用，从而让其摆脱电池的束缚，降低环境污染。因此开展压电能量收集技术的研究具有重要的意义。本项目主要开展了以下研究工作：. 通过Mindlin理论，研究了典型的复合结构压电俘能器的核心部件——圆盘弯曲振动压电振子的数学模型，得到了此类振子的高精度理论模型与建模方法。求解出振子的位移函数，最后得到其等效电路，并与ANSYS仿真结果进行了比较，两者的谐振频率之间的误差在1.6%~2.6%，远小于文献中的5%。. 在流体环境下，本项目对压电俘能器的几何结构及材料参数对其谐振频率的影响展开了研究，提出了一种新型的，与电磁式流体发电装置构造类似的流体驱动的压电发电装置(Fluid-driven Piezoelectric Generator，FDPG)。为了预测FDPG的工作性能，本项目研究建立了FDPG分布参数机电耦合模型，并结合ANSYS软件，研究了外界扰动频率小于等于300 Hz时，不同的工作频率，不同的尺寸参数、不同的负载阻值、不同的压电材料参数以及电极配置对FDPG性能的影响，得到了FDPG设计流程，并且研发了一种宽频压电式自供电电路及无线节点。. 本项目还对压电俘能器与后续功率接口电路进行了深入研究，最终提出了三种新型压电能量收集自供电接口电路的设计方案。考虑到电感难以小型化及易产生电磁干扰，我们还提出了两种无电感的新型自供电同步开关接口电路的设计方案。. 我们所开展并完成的上述研究工作，培养了一批该领域的专业技术人员，得到了一批有价值的研究成果。本项目的研究工作对于解决压电俘能系统设计过程中的关键技术问题，提高其性能，普及其应用，做出了一定的贡献。