[發明專利]一種振動壓電俘能系統耦合建模方法

有效

• 申請號: 201510418530.2
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN104978463B
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發明（設計）人: 陳仲生;程聰聰;楊擁民;石宏武;郭彬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 胡偉華;張小雪

本發明屬于壓電材料振動發電領域，公開了一種振動壓電俘能系統耦合建模方法，具體包括以下步驟：(S1)根據機械量和電學量之間的對等類比關系，建立壓電發電結構的等效電學模型；(S2)建立壓電發電結構的有限元模型，估計上述等效電學模型參數；(S3)將壓電發電結構的寄生電容和接口電路等效為一個電阻抗；(S4)將壓電發電結構的等效電學模型和上述等效電阻抗相連接，建立振動壓電俘能系統的耦合模型。本發明的優點是：一、適用于任意形狀的懸臂梁壓電發電結構；二、計算過程簡單、計算量小；三、可以對壓電發電結構和接口電路進行同時優化。

技術領域

本發明屬于壓電材料振動發電領域，特別涉及一種振動壓電俘能系統耦合建模方法。

背景技術

隨著微機電(MEMS)、低功耗電路設計等技術的飛速發展，無線傳感器的體積和功耗越來越小，這使得俘獲環境中的其它能量并轉化為電能可以滿足無線傳感器工作需求，從而無需外部電源或電池供電。特別地，環境中振動能量普遍存在，目前可以通過壓電式、電磁式和靜電式三種途徑實現振動能量俘獲，其中尤以振動壓電俘能受到關注最多，這是因為它的能量密度高、易于微小化集成。

由于壓電振動發電輸出的是大電壓、高阻抗的交流電，并不能直接為無線傳感器等電負載直接供電，需要將交流電壓轉化為直流電壓。為此，實際應用時的振動壓電俘能系統一般由壓電發電結構和接口電路兩部分組成，壓電發電結構一般采用懸臂梁形式，它的功能是收集輸入的振動源能量并輸出交流電壓，接口電路的功能是將壓電發電結構輸出的交流電壓轉化為穩定的直流電壓。

為了提高振動壓電俘能系統的轉化效率，需要針對給定的振動激勵對壓電發電結構和接口電路進行優化設計。但目前這兩方面的研究大多是相互獨立的，對壓電發電結構與接口電路之間的耦合作用考慮較少，比如很多研究僅關注優化設計壓電發電結構的參數，使其與振動激勵產生共振。但是，由于壓電材料逆壓電效應的存在，實際中這部分之間存在非常緊密的耦合關系，也即當壓電發電結構連接接口電路后，接口電路和負載會影響壓電發電結構的振動狀態，而壓電發電結構振動狀態的變化又會導致輸出交流電壓產生改變，進而影響振動壓電俘能系統的整體轉化效率，這就意味著采用分開優化后的壓電發電結構與接口電路連接起來工作，并不能獲得最高的電能轉化效率，這對實際應用是很不利的。為此，迫切需要對壓電發電結構與接口電路作進行耦合建模，實現同時對壓電發電結構與接口電路進行優化設計。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對給定振動源，提供一種振動壓電俘能系統耦合建模方法，使得能同時對壓電發電結構與接口電路進行優化，從而獲得最高的系統整體電能轉化效率。具體技術方案如下：

本發明提供了一種振動壓電俘能系統耦合建模方法，包括以下步驟，

(S1)根據機械量和電學量之間的對等類比關系，建立壓電發電結構的等效電學模型；具體為：

(S11)將壓電發電結構簡化為一個由等效質量、等效阻尼、等效剛度以及機電耦合單元構成的單自由度壓電振子模型；

(S12)根據機械量和電學量之間的對應類比關系，將等效質量對應電感、等效阻尼對應電阻、等效剛度對應電容、振動速度對應等效電流；

(S13)建立壓電發電結構的等效電學模型；

(S2)建立壓電發電結構的有限元模型，估計等效電學模型參數；

(S21)采用有限元軟件建立壓電發電結構的有限元模型；

(S22)通過設置短路邊界條件，估計短路特征頻率；通過設置開路邊界條件，估計開路特征頻率；通過施加直流電壓，估計產生的輸出總電荷；通過在自由端施加作用力，估計開路輸出電壓；

(S23)根據短路特征頻率、開路特征頻率、總電荷、開路輸出電壓分別計算等效電學模型的電感、電阻、電容、電壓源參數；