面向环境振动的宽频压电俘能技术研究

以化学电池为微电子、无线网络和MEMS等低耗能器件的供能方式存在质量大、体积大、寿命有限、需定期更换及环境污染等诸多问题，基于压电能量转换的俘能器是解决该问题的有效途径。然而由于环境振动源振动频率的不稳定性和多样性，对于单一基频的压电俘能器俘能效率低，本项目基于此提出宽频压电俘能思想，使俘能器在一定频段内都能谐振或近似地谐振,以提高俘能器的俘能效率和环境适应能力。建立宽频压电俘能器俘能系统输出特性数学模型和能量转换效率模型，以俘能效率和拓频范围最大化为目标，优化压电振子结构以寻求最优的结构参数；在多种时间尺度上建立压电俘能/储能系统耦合作用分析数学模型；并对压电振子-能量存储电路的多物理场振动耦合作用进行仿真分析；最后研制宽频压电俘能器实验物理样机，通过实验验证理论分析的正确性。本项目旨在揭示影响压电俘能效率和拓频能力的因素及其规律，为低耗能电子产品的压电新能源研究奠定理论和技术基础。

目前，基于压电及电磁转换原理的振动俘能研究得到了国内外学者越来越多的关注。由于环境振动源振动频率的不稳定性和多样性，对于单一基频的压电俘能器俘能效率低，本项目基于此提出宽频压电俘能思想，使俘能器在一定频段内都能谐振或近似地谐振，以提高俘能器的俘能效率和环境适应能力。本项目分别建立了分段电极悬臂梁压电俘能器输出电压的数学模型和机电等效电路的数学模型，应用上述模型可计算与实际整流电路相连的分段电极悬臂梁压电俘能器的输出功率；建立了复合梁结构压电俘能器发电性能的数学模型，该数学模型可以计算直接连接线性负载电阻的复合梁结构压电俘能器的输出功率；建立了两自由度压电电磁复合俘能器机电能量转换的数学模型，该数学模型可计算两自由度压电电磁复合俘能器中压电元件、电磁元件和系统总输出功率。本项目通过对各种构型俘能器的研究，拓宽了俘能器的工作频带。本项目揭示了影响压电俘能效率和拓频能力的因素及其规律，为低耗能电子产品的压电新能源研究奠定理论和技术基础。本项目发表SCI论文5篇，EI论文8篇，培养博士3名，硕士10名。