基于压电能量收集技术的自供电系统设计

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了压电能量收集器的谐振频率和输出电压,测试结果表明该压电能量收集器前两阶谐振频率分别为105.5和124.6 Hz,并且在95~128 Hz频率范围内输出电压均在2.7 V以上,频率带宽为33 Hz。测试系统的整体功能,测试结果表明电源管理模块LTC3588-1输出3.34 V的直流电压,加速度传感器ADXL335能够正常工作。实验验证了压电能量收集技术在汽车电子领域中的潜力和可行性,为汽车电子设备提供可持续的自供电解决方案。

面向压电能量收集的传感器系统设计

为解决无线传感器系统供电受限问题,设计了一种基于压电效应的能量采集系统。该系统由能量收集模块、能量管理模块和无线传感模块组成。通过收集环境中的低频机械振动能量并将其存储到储能元件,实现为传感系统供电,其中能量管理模块采用升压芯片BQ25570,它将输入端电压升高至3.3 V并存储在储能元件为整个系统供电。实验结果表明,设计的无线传感器自供电系统能够在一定条件下实现能量的采集与利用,一定程度上延长了系统的工作时间。

基于阵列型压电能量收集器的中高频自供电系统

随着物联网(IoT)的发展,无线自供电传感是实现感知机体状态和飞行环境的重要技术手段。机体振动具有分布范围广,激励频率高和频域宽等特点,单一压电能量收集器难以有效俘获能量。针对上述问题,研制了一套基于阵列型压电能量收集器的自供电传感系统。该系统由阵列型压电能量收集器、电源管理电路、传感节点、低功耗蓝牙及微控制器组成。压电能量收集器采用压电厚膜方案,在谐振频率693 Hz,2 g下最高平均输出功率密度为4 mW·cm^(-3)·g^(-2)。电源管理电路采用改进的整流器设计和欠压锁定电路(UVLO)实现高效能量传输与能量释放,充电速度是普通整流器的1.3倍,最大输出功率达到1.32 mW,结合微处理器进行时序控制可达到动态平衡,实现了固定间隔时间持续的数据读取和发送。

大负载高功率振动能量收集同步整流方法

针对振动能量收集电路整流二极管损耗大、非线性电路控制复杂以及优化负载不高的问题,提出了大负载高功率振动能量收集同步整流与电荷提取方法。通过同步电感翻转电压提高整流电压,采用短时能量提取缩短整流器件导通时间,减小能量损耗,实现高功率能量收集。基于压电等效模型设计了自供电同步整流与电荷提取电路(self-powered synchronous rectification and electric charge extraction,简称SP-SREE),对一个振动周期电路各工作阶段进行分析,推导出SP-SREE电路理论收集功率,并对电路进行功能测试和负载功率特性测试。理论分析与实验对比表明,所提出的方法在大负载下具有更高的收集功率,可为机械振动无线传感器网络等能源受限场景下自供电提供重要参考。

一种“回”字形多方向压电能量收集方法

该文介绍了一种“回”字形的多方向微型压电振动能量收集装置,其由尺寸为34 mm×2 mm×1 mm的正方形边框包围,内部结构包含4个非对称的组合悬臂梁,主悬臂梁固定于边框内壁,并与z方向垂直,次悬臂梁连接在主悬臂梁的末端质量块上。首先建立基础激励条件下组合悬臂梁振动系统的动力学模型。然后,通过有限元仿真分析对比了不同刚度和质量对位移幅值的影响,验证了组合悬臂梁系统的振动特性,并确定了最佳结构参数值:当主、次悬臂梁厚度均为0.3 mm,主、次质量块的最佳惯性质量分别为619.32 g、342.3 g。经仿真计算得到z方向可输出电能功率为3.1385 mW,x、y方向可输出功率均为0.7205 mW。最后搭建微型能量收集器实验平台,在实际测试中z方向的输出功率为2.85 mW,x、y方向的输出功率均为0.57 mW。

基于摩擦纳米发电机的输电线路振动能量收集装置

在电力物联网蓬勃发展的当下,如何持续且长时间地供能成为了数以万计的传感器所要面临的技术难题。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为新崛起的高效供能技术,在传感器的自供电领域有着非常广阔的应用前景。文中基于摩擦电工作原理,利用多层弹性体结构的垂直接触分离TENG,设计出一种面向输电线路微风振动的多层弹性体TENG能量采集装置。通过振动能量采集器输出性能测试平台模拟输电线路微风振动状态,对不同频率和振幅下能量采集器的基本电气特性进行测试,结合电能管理策略,构建面向输电线路微风振动的振动能量采集自供电系统,实现宽频带振动能量的高效采集与转换,完成对商用传感器的供能。最后,通过输电线路振动缩比模型验证文中所设计振动能量采集装置的有效性与可行性。文中设计的振动能量采集自供电系统能够有效地将输电线路宽频振动能量转换为电能,具有结构简易、经济性好的特点,解决了电力物联网传感器不能持久绿色供电的问题。

非线性接口电路对双稳态压电能量收集器性能提升的仿真研究

采用谐波平衡法仿真分析非线性双稳态压电振动能量收集装置(Bistable Energy Harvester,BEH)与双同步开关收集(Double Synchronized Switch Harvesting,DSSH)电路之间的非线性机电耦合情况。研究结果表明,在上扫频激励的条件下,BEH耦合DSSH电路相较于耦合标准接口电路(Standard Energy Harvesting,SEH)的最优输出功率和工作带宽分别提高了391.1%和14.9%;在6 m/s^(2)的定频激励下,BEH耦合DSSH电路比耦合SEH电路的最优输出功率提高了344.8%,且与负载无关。

基于电磁感应和压电效应复合的变压器振动能量收集研究

如何给海量传感器供能是电力物联网建设亟待解决的问题,能量收集技术为解决该问题提供了一种可行方案。变压器在工频磁场的作用下广泛存在主频为100 Hz的振动能量,但一直缺乏有效的收集方式。文中采用悬臂梁谐振结构,设计制作了电磁感应与压电效应复合的振动能量收集器;测试了所制作能量收集器的频率响应特性,器件谐振频率为100Hz,压电部分与电磁部分的3dB频带宽度分别为4.1Hz与2.0Hz;在100Hz/5m·s^(-2)的振动条件下,压电部分与电磁部分的开路电压分别为44.98、6.85V,最大输出功率28.17mW,且可以在300 s内将100 mF电容充电至3.81 V。在实验室模拟条件及变压器现场测试条件下,测试了能量收集器的应用前景,所制作能量收集器通过收集变压器工作时外壳的振动能量,可以带动温湿度传感器件工作。

压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器的设计与优化

为了降低环境振动压电能量收集器(PVEH)的固有频率(ω_(n)),提高PVEH的输出性能,提出了一种压电式变截面悬臂梁低频振动能量收集器(VCL-PVEH)。基于压电方程建立了不同压电材料分布的VCL-PVEH数值模型,优化了压电材料分布位置。研制了PVCL-PVEH原理样机,搭建样机实验平台。结果表明:当压电材料靠近悬臂梁固支端时,器件输出电压(V)和功率(P)最大;随着压电材料与固支端距离(D)增大,器件ω_(n)降低。在相同压电材料面积下,三角形VCL-PVEH的ω_(n)最低(ω_(n)=25.7 Hz)、V最大(V=100 V)。实验和计算表明,随负载阻抗(R)增大,P先增大后减小,存在最优R为25000Ω,此时,P为240 mW,可直接点亮21只商用LED,满足低功耗农业物联网传感器供电的要求。

用于能量收集的基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构

为解决俘能结构频带较窄,仅能从一个方向对机械振动能量进行收集的问题,研发了一种基于涡致振动的双自由度嵌套式压电圆管俘能结构。建立了俘能结构的流-固-电耦合数学模型,利用数值模拟和实验测试对前置阻流体的单俘能结构、串列双俘能结构及并列双俘能结构等情况进行了研究,分析了这些结构的振动性能与压电特性。数值模拟与实验测试结果表明,风速、俘能结构间距、压电圆环直径以及俘能结构排列方式都会影响压电俘能结构性能。在数值分析中,并列双俘能结构输出电压最大,在当结构间距(L)与压电俘能结构外直径(D)之比为2、风速为7 m/s时,上下端俘能结构的最大输出电压分别为5.7和6.8 V,对应输出功率为165和193μW。实验测试中,在风速为7 m/s、L/D=2时输出电压出现最大值,其上端俘能结构的最大输出电压为3.7 V,输出功率为80μW;下端俘能结构的最大输出电压为5.2 V,输出功率为148μW。研究结果表明,双自由度嵌套式俘能结构及其阵列可适当提高结构的输出电压,可为研究涡致振动压电能量收集提供新的参考方案。

基于PVDF压电薄膜的能量收集系统研究

压电能量收集系统作为一种自发电系统,可以将施加在系统上的压力转换为可供负载使用的电能。以100μm厚的PVDF薄膜作为压电能量收集系统的能量来源,以电学与力学为基础,设计了一种基于PVDF薄膜的压电能量收集系统;用ANSYS软件建立模型仿真,用origin软件处理PVDF薄膜输出信号参数,确定了箱式结构下的压电薄膜双并联结构;设计了采用三倍压电路的基于LTC3588芯片的能量收集电路,使得能量采集效率提升了3倍。

自然河流中压电能量收集系统信号检测装置的设计与实现

涡致振动压电能量收集系统对在自然界中产生的压电信号进行信号分析相较于在固定实验室中进行实验分析更具备科学意义,因此笔者设计了一种适用于自然河流环境下的压电信号采集、检测装置,并通过实验验证了该装置对压电信号采集的有效性.该系统利用“L”型支架将阻流体、压电悬臂梁等器件固定于漂流船底部,将航速调整模块、压电信号采集装置和蓝牙通信模块放置于漂流船内.在实际实验中,利用岸上的上位机通过蓝牙通信模块向航速调整模块下达指令,控制漂流船的航行速度模拟出不同的水流速度,使船内压电信号采集装置采集到不同水流速下压电悬臂梁产生的能量信号,并将其转换后通过蓝牙模块发送到岸上的接收处理系统进行存储分析.实验研究表明:在实验水域、水速范围内,该装置能够实现对自然河流中压电信号的采集;电压信号随着水流速的提高而增大.

一种基于防震锤的新型压电复合能量收集方法

为了解决智能电网环境下输电线有害振动与工况检测传感器的供电及续航问题,该文设计了一种压电式振动与磁场复合能量收集的防震锤。防震锤的主压电梁收集输电线振动能量,副压电梁通过安装磁铁收集输电线电流产生的变化磁场能量,摆脱了传统收集磁场能量时线圈的使用。对收集器进行有限元仿真分析与实验测试。结果表明,收集器工作频带更宽,比传统的单梁输出高54%,主压电悬臂梁最大输出功率可达到874μW,副压电梁最大功率可达到683μW。

多方向压电振动能量收集装置及其优化设计

为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出一种新颖的多方向振动能量收集装置的设计结构,装置的换能部分采用了一种Rainbow型压电结构。为提高多方向振动能量收集装置收集能量的效果,以多方向振动能量收集装置输出的总电能为目标函数,综合考虑金属弹性基片的强度、装置振动的固有频率及装置的尺寸空间要求等多种因素,采用序列二次规划法对能量收集装置的结构参数进行了优化。该多方向振动能量收集装置经过优化后,在Y向激励时,其输出的总电能为37.146μJ,比优化前提高了30.82%,当沿装置体对角线方向激励时,结构装置输出的总电能为58.715μJ,比优化前提高了29.24%,装置的能量收集效果得到了明显提高。分析结果为多方向振动能量收集装置的设计、制造及应用提供了技术依据。

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。

多方向压电振动能量收集技术研究与进展

煤矿井下综采设备工作时会产生较大振动,利用压电振动能量收集系统实现煤矿综采设备无线监测节点自供电,有望解决传统化学电池使用寿命有限,更换困难,污染环境等问题。传统线性能量收集装置的谐振频率难以满足外界振动复杂多变的要求,导致俘能效率低下。如何提高压电振动系统俘能效率是一个亟待解决的问题。多方向是提高复杂振动环境压电俘能效率的有效途径。该文从击打式和悬臂梁式两种能量转换方式总结分析国内外学者在多方向振动能量收集方面的研究,从阵列式、自调谐、非线性、频率泵浦、弹性放大器等方面分析多方向振动能量收集系统的效率提升技术;最后,从采用新型压电材料提升俘能效率、考虑非线性和多场耦合动力学优化俘能结构、工程应用研究等方面对多方向压电能量收集技术进行了展望。

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。

Z型压电振动能量收集装置

为解决压电振动能量收集结构难以同时满足宽频带、三维、高效采集等要求的问题,提出一种以Z型梁代替集中质量块的压电振动能量收集结构。通过Z型梁引入非线性质量,使收集器在低频范围内集中更多模态,拓宽采集频带。利用Z型梁结构的纵向和横向不稳定性实现收集器的三维度能量采集功能。分析了Z型梁在宽度增加后的动力学特性,探讨了压电片阵列排布的采集性能,并建立仿真模型和搭建实验平台,与螺旋形梁结构和经典悬臂梁质量块结构的动力学特性进行了对比。仿真及实验结果表明:当梁折叠层数为7层时,频率在50 Hz以内的模态数量达到了9个,在1~100 Hz间隔1 Hz的谐波激振下,Z型压电梁正向的采集电压-频率曲线峰值多达4个,且主要集中在0~40 Hz,最大开路电压达到16 V,大大拓宽了采集频带;横向和纵向的最大开路电压峰值均在10 V以上,横向和纵向的采集电压-频率曲线峰值数量均大于4个,实现了三维度能量采集,负载10 kΩ时最大输出功率达到了0.18 mW;在Z型梁宽度增加到100 mm时,在200 Hz范围内模态数大于30个,双贴片串联采集电压曲线峰值多达4个,最大电压达到了14 V,验证了Z型梁适用于压电片阵列排布。

压电振动能量收集器的等效电路建模分析与实验验证

提出了一种用于压电振动能量收集器的等效电路建模分析法。这种方法将有限元分析和电子电路分析相结合,根据机电类比机制,把压电振动能量收集器的建模问题从复杂的机械领域转换到纯电学领域进行分析。利用该等效电路法,建立并分析了线性和AC-DC非线性负载电路条件下双压电层并联的振动能量收集器电能预测模型。通过对比发现,经等效电路建模分析得到的电压和功率响应结果与实验测量结果的最大误差不超过5%,这充分证实了等效电路建模分析法能在避免理论建模时的复杂推导过程的前提下,保证电能预测模型的精确性。该研究为创建复杂机械和电学边界条件下压电振动能量收集器电能预测模型提供了一种新的、有效的解决途径。

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10.5Hz的宽度。针对50Hz的振动环境,将谐振频率为58.7Hz的样机调节到了50.4Hz,输出电压提高了4倍。