[發明專利]一種基于壓電材料的寬頻振動能量回收裝置

無效

• 申請號: 201310381653.4
• 申請日: 2013-08-28
• 公開（公告）號: CN103427708A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 吳義鵬;季宏麗;裘進浩
• 申請（專利權）人: 南京浩之德智能科技有限公司
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明涉及一種能量回收裝置，尤其涉及一種基于壓電材料的能量回收裝置，屬于振動能量收集領域。

?

背景技術

無線傳感器網絡能夠直接獲悉客觀世界的物理信息，通過網絡傳輸將它們與遠程控制終端聯系在一起，為人們提供了最直接、最有效、最真實的客觀信息。如今，隨著傳感器、微處理器、無線通信等技術的巨大進步，無線傳感器網絡亦獲得了迅猛發展。然而，獨立供電技術作為無線傳感器網絡的基礎技術之一，由于長期得不到足夠地重視，時至今日已經嚴重制約了無線傳感器網絡的進一步應用。目前絕大多數網絡節點仍使用電池供電技術，導致了節點后期維護費用高，廢舊電池處理困難等等一系列問題。回收環境中的能量并用于代替傳統電池供電的技術，正吸引著大批學者的注意。其中振動能量無處不在且具有相當可觀的能量密度，受自然環境的影響較小，有著廣泛的應用前景。將振動能轉化成電能一般采用三種方法：電磁式、靜電式和壓電式。由于壓電材料具有較高的能量密度而且便于和微型結構集成，因此該材料成為了環境振動能量回收技術的首選。

一般而言，基于壓電材料的振動能量回收裝置主要由帶壓電耦合功能的振蕩結構、能量提取電路、穩壓電源單元以及被供電的電子器件組成，自供電無線傳感器節點就是該裝置的典型代表。振蕩器結構在外界激振力的作用下會產生較大幅值的振蕩，進而使壓電材料電極面上產生電荷，形成交流電壓。由于集成芯片供電電源均為直流電，壓電元件每次轉化的電荷能又比較低，因此產生的交流電壓需要經過特定的能量提取電路，轉化成直流電壓并預先存儲在超級電容中。最后通過高效率的穩壓電源芯片，將其轉化成標準穩定的直流電壓，并保證能在一定的時間段內持續輸出較大的電流，滿足被供電裝置的能量要求。

壓電振動能量回收裝置的研究主要集中在振蕩器結構設計與優化、壓電材料優化、接口電路設計與優化、電源管理單元設計、裝置具體應用設計等方面。其中振蕩器結構以及接口電路的性能優劣直接影響到裝置的能量回收效率。

振蕩器結構的優化主要集中在結構的寬頻性能上，由于環境振動的頻帶比較寬，而大多數線性振蕩器結構都有特定的共振頻率，一旦環境激振頻率偏離振蕩器的共振頻率，結構的受迫振幅將會急劇降低，發電功率迅速減弱。因此，寬頻性能優異的各種非線性振蕩器被提了出來。其中有一種振幅限制的懸臂梁結構設計簡單且有利于微型化，該結構在梁自由端振幅達到一定程度時，會與限幅裝置觸碰，進而使梁的振幅不再增加。雖然在觸碰過程中會存在能量損失，但是如果設計得當，觸碰過程中存在的非線性力可以拓寬結構的幅頻響應。

接口電路的優化主要是在標準接口的基礎上設計開關類型的電路，增加裝置的能量密度，同時減弱回收功率與負載阻抗之間的影響。標準接口電路是一個全橋整流器后接一個濾波電容，直接將交流電轉化成直流電，該電路實現簡單，但裝置能量密度小且回收功率受到負載阻抗的影響非常大，當實際負載阻抗與最優阻抗不匹配時，回收功率非常低。一般而言，回收裝置的最優負載阻抗與結構振動頻率有關，一旦振動頻率變化時，最優阻抗也相應變化；而實際負載電路阻抗卻不能靈活變化。因此可以說標準接口非常不適合于寬頻的環境振動能量回收，需要更符合實際的改進型接口電路。這種類型接口電路根據電子開關位置的不同主要可以分成兩類，一種是電子開關在全橋整流器之前，通過并聯或串聯電感來增加壓電元件上的電壓，即增加裝置的能量密度，另一種電子開關是在全橋整流器之后，利用DC-DC轉換技術減弱回收功率與負載阻抗之間的影響，使得裝置盡量工作在最優回收功率的條件下。同步電荷提取電路（Synchronous?Electric?Charge?Extraction?,?SECE）結構圖跟后者類似，但利用的是電荷同步提取技術，將負載阻抗和回收功率完全獨立開來?，同時增加了一定的能量密度。然而該技術開關控制策略實現起來比較復雜，實用性不強。后來提出的優化型同步電荷提取電路則優化了開關控制策略和電路結構，負載阻抗和回收功率并非完全獨立，但影響已經很小，是比較實用的壓電寬頻振動能量回收接口之一。

?

發明內容

技術問題

本發明要解決的技術問題是提供一種高性能、實用化的機電耦合結構和接口電路，用于高效率地回收環境寬頻振動能量，最終給獨立工作的電子裝置直接提供標準直流電源。

技術方案