振动能量收集系统的研究—电路设计.docx

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1、振动能量收集系统的研究电路设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械电子工程侯京廷学 号：职 称：160404107383刘娜讲师中国珠海二二年五月2北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计振动能量收集系统的研究电路设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日振动能量收集系统的研究电路设计摘 要这些年来随着电子产品在日常生活中的推广应用，各种各样的生活中的电子设备，工业生产中各种特殊设备的供电问题受到人们的广泛关注。

2、基于振动能量的收集系统所研发出来的装置是一种新型的的小型化电源，这种装置能利用周围环境能量来转换为电能。经过能量领域多年研究，发现具有其结构简单、发热量低，不受电磁干扰、体型小巧等显著优点，但现有技术存在不少可改进部分。本文现结合目前国内和国际上学术界所研发的压电式振动能量收集系统技术的最新研究发展状况，使用MATLAB软件中的SIMULINK对标准的能量收集电路做了分析。并设计改进了一款能量收集管理电路。这款电路大幅能提高能量收集效率。关键词：能量收集，压电式，电路设计，管理电路，高效Research on vibration energy collection system - circu

3、it designAbstractIn recent years, with the promotion and application of electronic products in daily life, the power supply of various kinds of electronic equipment and special equipment in industrial production has been widely concerned. The device based on the vibration energy collection system is

4、 a new miniaturized power supply, which can use the surrounding environment energy to convert into electrical energy. After years of research in the field of energy, it has been found that it has the advantages of simple structure, low heat generation, no electromagnetic interference, small size and

5、 so on. However, there are many improvements in the existing technology.In this paper, based on the latest research and development of piezoelectric vibration energy collection system technology developed by domestic and international academic circles, the standard energy collection circuit is analy

6、zed by using Simulink in MATLAB software. An energy collection and management circuit is designed and improved. This circuit can greatly improve the efficiency of energy collection.Key words: energy collection, piezoelectric, circuit design, management circuit, high efficiency6北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计

7、目录1 绪论11.1 背景11.2 当今研究成果21.3振动能量收集装置42 压电发电技术原理62.1压电能量转换理论62.1.2压电方程62.2材料与结构的优化选择82.3 本章小结93 能量收集电路的设计103.1简介103.2使用软件简介103.3标准的压电式振动能量收集电路的工作流程113.3.1目前常见的几种整流滤波电路113.3.2 DC/DC降压转换电路123.4 用simulink仿真123.4.1 标准能量收集电路仿真123.4.2 Buck型DC/DC降压电路仿真143.4.3整体仿真184 改进与优化能量收集电路204.1整体思路204.2电路仿真205 展望23谢辞25

8、参考文献261 绪论1.1 背景无线电子设备已在我们的生活中变得流行，例如手机，便携式计算机和蓝牙设备已成为我们生活中必不可少的物品。电子设备具有简化人为操作，易于携带和易于改变配置的优点。同时，物联网技术得到了迅速发展。 5G智能驾驶，远程医疗和无人机等技术将微型无线传感器置于隔离状态，以查看其实时运行状态。在许多不同的电子设备应用情况来看，特别是在长期无人照看或者野外等特殊应用场合中，电子设备的电源供应的问题逐渐成为了使用者的一大难题，这个供应电量问题成为了阻碍未来高新技术进一步应用，也成为产业升级改造以及去落后产能的所面对的瓶颈问题，因此这个供能问题成为了电子通信以及自动化相关产业研发人

9、员的注意。如果这些问题能够解决，将为新技术的发展带来很多帮助。在生活中，大多数微型传感器，无线家用电器和移动电子设备都使用锂电池供电。多年来，随着电池技术的逐步发展，但仅通过增加电池容量来解决使用寿命问题，还没有开发出其他一些电池技术。在已有条件的基础之上，通过理论创新与科技创新，为新产品的研发提供源源不断的物质与人才基础，如此才可以使得创新水平得以提升、社会的发展离不开技术的不断创新，在节约成本的理念之下，人们开始研究各种自然环境下的能量收集技术，作为电池的替代品。由于电池寿命的限制，我们的电子设备在不同情况下使用时会遇到一系列问题，例如郊区的路灯，汽车上的导航系统等，这些将在未来开发，因此

10、我们开发新的无线能源供应技术研究已成为重中之重。近年来，如何收集和存储环境中的势能并将其合理地应用于如无线传感器网络、监控系统、小型电子设备这些都是是许多研究人员在今后所要投入大量精力的关键问题之一，人们开始探索如何利用周围环境因素来储存能量。能量收集技术是一种新形势下的技术方法，用机电设备和化工方法来收集我环境中被忽略和浪费掉的能量。并且把电能经过处理之后能为其他设备供电。我们目前已知的环境中可用的潜在能源包括：太阳能，风力，声波，电磁能，地热，机械能等，如下图1.1所示。图1.1 能量与回收随着科学技术的不断发展，电子元件小型化的相关技术不断成熟，加上能量采集技术的不断改进和优化，振动能量

11、采集技术将尽快实施。本次研究重点放在压电式振动能量收集系统的研究。分析了当前主流的理论和研究成果，对压电式振动能量转换，电储能电路，控制电路等设计进行了初步研究，并进行了简单的改进和优化。1.2 当今研究成果当能源问题成为世界主要问题时，许多大学各国的研究机构和相关机构对这一新技术在振动能领域进行了大量的研究和试验，以解决整个核潜艇无线通信和设备监测系统的供电问题，其中包括弗吉尼亚和俄亥俄级核潜艇，美国海军特别邀请了许多公司和研究机构对能量回收技术进行了大量的研究，值得注意的是，FESH作为各种监测设备、微电机的独立电源，可以使用传感器等精密仪器，这种能量转换器已成功应用于船舶的各个角落，同时

12、美国航空公司为美国舰载机配备了无线通讯装置，可以收集浪费的动能，作为可以提供飞机使用的航空电子和通信设备。振动能量收集领域国外研究的相当一部分是人体压电发电机。比如，受到社会各界广泛关注的“压电鞋”。它可以利用压力能量收集装置，以收集人们步行为某些身边的电子设备如手机，手表等供电，这说明了振动能量收集系统具有十分可观的实际应用价值。美国麻省理工学院设计了一种可重复使用的充电的运动鞋，这种运动鞋可以随时随地的接收人们以不同方式行走时产生的振动能量，人们必须将PVDF材料制成的具有压电效应的压电集能器嵌入鞋跟，以收集行走时弯曲鞋底产生的能量。是在脚跟上安装一个压电陶瓷板来收集行走时脚跟的压力。同时

13、，内森思科设计了能量循环和传感器。这种鞋能自动收集人类在跑步时释放的能量。他们利用压电陶瓷板产生的能量连接在脚跟上为它们供电，并向外部发送12位无线电信号。日本众多大学还曾经进行过大量的能量收集。日本的研究人员将压电片埋在商场、交通繁忙的车站以及地铁入口和马路边上等人流密集区的地板中，用这些人来往经过的振动能量来使压电片产生了电能，利用转换电路将其储存至电池当中备用。在重新供给街头电子设备和一些小功率微型传感器。最终研究人员经过多次有效实际测试表明，在合理设计和选取位置之后，压电能量收集装置完全可以达到为公共设施的大规模使用。图1.2据NANOWERK新闻的报道，如图1.2东京工业大学的科学研

14、究人员们已经开发出小型能源供应设备，当前情况下电子设备的容量正在大幅减少，这主要是由于机械振动和另外的一些用于环境能源收集工作能量的微机电系统的改进所导致的。我们传统意义上的传统的MEMS能量采集器必须通过MEMS电容器来调节电流，而电子和MEMS模块的研发生产有很大的不确定性，在以后的发展中，全新的能量采集器将电子和MEMS模块必须分离开来，为了提高设计和制造的灵活性，这项新技术是由东京的技术人员开发和制造的，其目的是为了推动物联网时代的发展。我国目前的压电振动能的研究还处于起步阶段，但近年来也取得了显著的成绩，其中，魏双辉等前沿科技引领者作为首席开发的工程师开发了压电发电鞋。试验结果表明，

15、在成人体重67kg的正常运行条件下，18.4v的发电闸瓦能达到交流电压的峰值，随着负荷的增加，闸瓦压力相应增大重大也研究了压电换能器。为了解决单层压电芯片换能器无法连续运行且瞬时发射功率高的问题，无法为各式各样的对于无线传感器发射器模块的电源问题，我们提出了一种类似于双振动器结构的振动能量收集装置，并给出了一个解决方案。设计了基于该器件的输出功率可调节电路结构。清华大学微电子研究所也进行了相关研究。其研究团队开发了一种MEMS压电式的悬臂梁换能器，这种装置可以检测到周围环境中的微小振动能量，并将其收集转换为电能。该装置体积小，转化效率高。哈工大的研究团队在近些年研究了压电式悬臂梁装置设计中压电

16、片的耦合。他们做了大量实验来研究压电单芯片模式，压电双晶片用串联模式和使用压电悬臂梁结构，用两片并联模式下压电悬臂梁换能器的仿真结果表明，假如在同样的的实验环境之下，串联压电双晶片结构所能输出的输出电压最高，然后就是串联压电双晶片结构，再次之才是并联压电双晶片结构，最后的串联压电双晶片的最小输出电压最高。西南科大的有关研究人员对于串联压电双压电晶片压电悬臂梁模型的结论与过程对比分析。在压电换能结构的数学模型的基础上，分别应用了外部电阻和容性负载条件。分析和模拟了系统输出电压和功率与振动频率，加速度和振动幅度之间的关系，得出结论，压电悬臂梁的输出电压高于电容性负载的输出电压。当电阻较高时。获取外

17、部负载。哈工程的单个小规模研究和分析了悬臂梁换能器的双压电晶片压电晶片的键合位置。当悬臂的上下压电晶片不对称粘结时，它使用ANSYS软件建立模型。实验成果说明了，当压电悬臂的上，下层重叠时，悬臂的输出电压先增大后减小。特别地，当压电晶片的上层和下层的重合为0.2时，压电悬臂梁的束输出电压达到最大值。1.3振动能量收集装置现在有三种能源收集装置。静电振动能量集电极由可变电容器和具有永久电场的基板构成。静电振动能量收集器的工作原理是，外部环境的振动引起可变电容器的两个板的相对运动，板的容量发生变化。在可变电容器的两个板上产生的电荷通过电子管在两个板之间传递，生成电流，环境振动能量被转换成电能。在圆

18、形研究中，通过改变平面内的间数字区域而产生的能量最小，通过改变平面与板之间的距离而产生的能量第二，通过改变平面内的数字间距离来生成表明能量最多。需要特别指出的是，静电式振动能量采集器需要外加激励电压源或电荷源。压电振动能量集电极使用压电效应将机械能转换成电能。外部环境的振动引起压电体的机械变形，在压电体内引起极化现象。在一对压电晶片的电极表面上存在正电荷和负载。与静电振动能量集电极相比，压电振动能量集电极具有没有附加的激发源的优点，与电磁振动能量集电极相比，压电振动能量集电极具有高输出电压、体积小、功率度高和易于微型化的优点。因此，近10年来，与其他两种振动能量采集器相比，压电式振动能量采集器

19、的研究得到了更多的关注。电磁振动能利用电磁感应现象产生电能中的机械能如果产生磁铁和线圈的相对运动，电源的输出能量是由磁场强度和线圈相对于磁场的运动速度决定的威廉斯先生谢菲尔德大学的耶茨有一个理论模型该装置由弹簧和振动器。如果振动器振动，质量块和基本块相对移动，导致电磁传感器产生电能。动态能量收集器需要使用激励电压源或电荷源。显然，静电型需要能够稳定输出的电源，并且结构复杂。属于有功之后发电，显然不适用于大多数生产生活的工作，科学界一直也没有对其进行过多研究。电磁电感式收集技术要过于难以实现，而且工作效率低，其组成结构非常复杂，稳定性低 体积庞大，小型化十分困难；压电式能量收集技术工作效率高体积

20、小，能适用于大多数场景当中，结构简单，易于研究，可靠性好。2 压电发电技术原理2.1压电能量转换理论2.1.1压电效应压电能量可以通过压电材料的独特压电效应来产生电。压电效应反映了几个晶体材料的弹性和介电性质之间的机电耦合过程。19世纪末。由居里兄弟在实验中发现了压电效应。他们发现当晶体由于外力的作用而产生形变时，晶体内部会被极化，同时在与外力成比例的几个表面上存在具有相反符号的极化电荷。当金属电极涂覆在晶体的两个相反表面上时，可以在金属电极上检测感应电荷或电位。如图2（a）所示，当环境中没有电场效应时，我们给晶体施加一个外力，当电荷出现在了晶体表面的这种现象被称为正压电效应。振动能量集电极为

21、了将机械能量转化为电能，使用正压电效果。对应于正压电效应，反压电效应，即，一些晶体材料被放置在外部电场上，这导致晶体中正电荷和负电荷中心的相对位移，从而导致变形和“机械化”。来自电。“变形”现象图2.1（b）中表示。逆压电效应反映了将电能转换为机械能的压电材料的能力。因此，可以使用背压电效应来制造压电位移或力致动器。图2.1压电效应示意图压电材料是压电单晶体和压电陶瓷。前者是压电单晶。其优良特性被人们所熟知的是其具有稳定的性能、高超的机械强度和非常良好的绝缘性能。但是其缺点在于压电系数小，价格非常昂贵。一般来说，它是用来生产标准乐器的。后者主要是艺钛酸钡（batio 3）和锆酸钛铅（pbzrt

22、io3，pzt）为主的。通过实验结果表明与batio 3相比，pzt的压电常数大，机械强度高，机械刚度高，灵敏度高，介电常数高，输出大。技术成熟，可以达到合理公式和手动控制（掺杂等）所要求的性能，现在广泛用于具有优秀成型加工性和低成本优点的制动和传感器。因此，基于pzt压电陶瓷材料分析和研究了压电振动能量集电极。2.1.2压电方程边界条件的定义是研究压电材料能量转换机制的重要方面。压电材料的机械和电边界状态可以仅通过确定边界条件的形式来确定。从机电耦合的角度来看，压电材料可以处于不同的机械和电边界条件。机械边界条件有机械自由度和机械钳位度两种。所谓机械自由度，是指压电材料自由变形，此时的应力为

23、零或一定。机械钳位意味着压电材料不能自由变形，此时的失真为零或恒定。有两种类型的电气边界条件：电短路和电气开放电路。电短路意味着连接两个电极的外部电路的电阻比压电陶瓷的内部电阻小得多，此时，电场强度为0或恒定时，电位偏移比压电陶瓷的内部电阻为零或恒定。结合两个机械边界条件和两个电子边界条件，可以获得压电材料所具有的的四种不同类型的边界条件，如表2.1所示。根据下表的四个边界条件，选择获得反映压电体中的机械量和电量的材料关系的四个压电式的独立变量。因为不同压电材料有着不同对称性，所以四个压电形式由不同的压电材料变化，并且在压电方程中机械和电参数所对应的独立分量的数量不同。图2.2压电材料的边界条

24、件悬臂压电振动能量集电极是本设计的特定研究的方向。把压电陶瓷片直接固定在悬臂伤，这样压电片的宽度比宽度和厚度大得多。当悬臂梁振动时，压电体固定，两端为自由端，因此使用第一种压电式来描述机械式自由电子电路是很方便的。因此，如果压电材料处于第一类边界条件时，则选择应力和电场强度为自变量，应变和电位移为因变量，得到相应的第一类压电方程为： (2.1）也可以表示为： （2.2）2.2中：是应变，是应力，d是压电介质的压电应变常数矩阵，D是电位移，E为电场强度，Y表示弹性模量。迄今为止，有大量的研究人员已经对压电材料的机电转换特性进行了研究，其具体包含下面几个参数：一 耦合系数K机电耦合系数k是能够显示

25、压电体的机械能与电能转换方式的指标系数，这一重要参数是测量压电性能强度的主要指标。定义为： （2.3） （2.4）二 品质因数Q机械质量系数表示在压电陶瓷片谐振时为了消耗内部摩擦而消耗的能量。这是调查输入能量对应的机械损失的重要参数。在能量转换器中，机械质量系数越高，机械损失越小越好。这样，可以将足够的机械能转换成电能。定义为： （2.5）三 压电应变常数压电材料在发电厂的影响下发生变形，并讨论了电量与变形的关系，即压电载荷常数，这是压电材料在机电耦合中的一个主要特点，定义成： （2.6）四 压电的电压常数g压电的电压常数g主要用来描述由外力作用而对压电材料引起的电压以及电流的变化，定义为：

26、（2.7）其中d表示压电应变常数，为相对介电常数。五 转换效率压电元件的转换效率可以通过压电材料的机电耦合系数和质量因子来测量，定义为： （2.8）由上式2.7可见提高材料的机电耦合系数和品质因数，则能提高器件的转换效率。2.2材料与结构的优化选择在实际生产中所使用的压电陶瓷材料非常脆，容易破坏，所以作为稳定工作的支撑体，一般需要韧性好的材料。虽然是作为支撑层材料使用硅的制压电换能器，但硅是一种半导体材料，导电性不好，所以如果将硅作为支撑层制作悬臂模型，则需要追加的焊接引线，整个系统的复杂性就会增加另外，增加整个系统复杂度的制造工序的难易度二元通过数值模拟分析了不同铝板厚度的压电悬臂梁的振动和

27、能量输出作为支撑层，并设计了以铜板为支撑层的压电振动能量集电极。铜和铝导电性好，但强度和硬度差，在振动过程中容易造成疲劳损伤。另一方面，压电层与中间支撑层的厚度比在一定长度和宽度条件下对压电悬臂梁的电能输出产生较大影响。不同的压电材料和负载电阻也影响压电悬臂梁的电能输出。因此，有必要优化压电悬臂梁的厚度比、材料种类以及电能输出和负载电阻之间的关系。2.3 本章小结本章在基本分析的基础上，我们通过原理分析研究了压电振动能量收集装置的机制。简要描述了几种不同边界条件情况下的压电材料所对应的压电公式。根据压电材料的对称特性，然后给出了压电陶瓷的压电方程，列举了几种影响压电陶瓷转换特性的主要参数；最后

28、通过对于理论的分析完成压电材料的选择与结构的优化进行简单分析。3 能量收集电路的设计3.1简介能量收集电路是整个振动能量收集系统的重要组成部分，能量收集电路其性能的优劣决定了整个压电式振动能量收集系统能量收集转换的效率。所以对于能量收集电路的设计是我们提升整体系统的工作效率和稳定性有着至关重要的作用。由于压电陶瓷的内阻很非常大，比较常见的压电陶瓷片的内阻能达到几百欧，甚至几千欧。所以前段的能量收集装置所产生的是交变电压，而且而我们大多数的负载，或者电池都是靠直流电流供电的。为了方便我们使用以及存储，我们的能量收集电路必须先进行整流后进行滤波，最后进行降压处理之后才能为我们的负载或电源所使用。本

29、章分析整个能量收集电路的工作流程，并提出改进方向，以便进一步改进和优化能量收集电路。3.2使用软件简介本次研究采用MATLAB中的SIMULINK这种可视化仿真工具，这种工具是一种基于MATLAB的框图设计环境。是可以实现动态系统建模，仿真设计以及分析的非常好用的软件包，具有适应性广，结构清晰，仿真精细，高效灵活等让人满意的优秀特点。被广泛的用于通信，电子等领域。其具有的电力系统模块库，能对电子电路，电力系统与RLC振荡电路进行仿真分析。本次将使用SIMULINK来模拟并仿真分析研究占空比、频率以及电感等原件对输出电压和转换效率等的影响。图3.1 SIMULINK软件界面3.3标准的压电式振动

30、能量收集电路的工作流程图3.2压电式振动能量收集电路简示图如图3.2所示，一般来说我们把能量收集电路氛围两部分，整流滤波电路作为第一级能量收集电路，降压电路作为次一级能量收集电路。3.3.1目前常见的几种整流滤波电路（1）并联电感同步获取电路：将开关元件与前段的压电片进行并联所构成的。它可以快速翻转压电陶瓷两端电压极性。同时压电陶瓷所产生的的电荷仍然能通过整流滤波电路进行能量收集。（2）串联电感同步获取电路：将开关元件与前段的压电片进行串联所构成的。与并联电感通话获取电路相似，但开关和电感是与压电陶瓷片串联的。目前来说，并联和串联电感同步获取电路如果能与外接负载所匹配，并且能用二极管用来自动关

31、闭振荡电路的振荡过程的话。再用控制电路来控制整体能量收集电路的话，将能把能量收集效率提升到很高的程度。（3）电荷同步获取电路：周期性的把积累在压电陶瓷所夹持电容上的电荷传送到负载或者能量储存器件上。这种电路所产生的功率较为均衡，其对外接负载的变化不敏感，在理论上来说是一种较为合格的能量收集电路。但是在实际使用过程中电荷同步获取电路对压电片的要求会很高，其要求压电陶瓷片要在大部分时间开路，这样电路的充电时间就会变短。最终导致充电电流较大，在整个能量收集电路中的能量损失很大，造成了整个系统能量收集效率的变低。目前来说并不适于推广到能量收集电路的使用当中去。（4）标准能量收集电路：这种形式的电路是目

32、前最经典、最基本的的能量收集电路，整个标准能量收集电路由全桥整流电路和一个滤波电容组成。一般来说能量收集效率较为高一些。（5）倍压能量收集电路：采用倍压整流电路，在负载电阻高的情况下，倍压能量收集电路的能量效率高，在负载电阻低的情况下，其能量收集效率低。因此这种能量收集电路适用于大阻值负载的使用。3.3.2 DC/DC降压转换电路经过前段的整流滤波之后，此时电压仍然非常大，电流小；我们需要将这种高电压低电流转换成为能为我们的负载供能，或者给电池充电的低电压高电流。为了解决这一问题，我们应该在电容与我们所选用的电池间串联起一个 DC-DC 式的变换电路。我们常见的基本的DC/DC转换电路的拓扑结

33、构有三种：（1）Buck型降压式：只能降压。但结构简单。（2）Boost型升压式：我们需要降压，不讨论。（3）Buck-boost型升降压式：这种电路具有非常广的实用范围，在实际操作时易于控制。当在实际电路运行中，我们的输入电压高于或者低于输出电压式时，对于周期及占空比确定的控制信号，该型电路具有固定的平均输入阻抗，因此可以通过对控制信号的调节使其输入阻抗与第一级电路中的标准能量收集电路最佳匹配负载阻抗接近或相等。但结构相对复杂些。3.4 用simulink仿真综合以上情况，我们采用标准能量收集电路和Buck降压电路来仿真。3.4.1 标准能量收集电路仿真图3.3图3.4压电陶瓷波形图3.5

34、负载电流与负载电流波形3.4.2 Buck型DC/DC降压电路仿真图3.6 Buck型降压电路仿真条件：输入电压为48V。输出电压为24V，即48V降压为24V；滤波电感：360uH；滤波电容：10uF；电压外环参数：比例：0.1，积分：13电流内环参数：比例：0.5，积分：8图3.7 输出电压波形图3.8 输出电感电流可以看出，输出电压很快达到24V指令值，电感电流输出稳定，性能较好。下面电机manual switch按钮，在仿真过程中将24V切换成36V输出，观察动态性能。图3.9改变电压后输出电压波形图3.10 改变电流后电感电流波形可以看出buck双闭环电路动态性能较好。图3.11 输

35、出电压为24V的开关管驱动波形由于输入为48V，输出为24V，24/28=0.5，从驱动波形可以看出，占空比恰好为50%，与开环时接近。闭环的意义在于，当输出电压偏离24V时，占空比可自动在50%附近调节，从而达到稳压的目的。3.4.3整体仿真把前后结合起来图3.12 整体我们先给压电陶瓷上进行模拟波形如下图3.13图3.14图3.15得到的结果图3.15的第一个波形是buck的pwm信号，占空比为30%，频率为100kHz；第二波形是整流桥输出的电压；第三个是负载电流的波形；第四个是负载电压的波形。4 改进与优化能量收集电路4.1整体思路本次研究设计改进了一压电能量收集与管理电路，它包括一个

36、基于电感的并联同步开关收集技术( P-SSHI) 电路和一个 DC-DC 变换器。P-SSHI 电路只需要两个开关，控制电路较为简单。DC/DC 电路采用最佳占空比方法。这种能量收集电路能大幅提高能量收集效率。图4.1压电能量收集与管理电路结构图4.1展示一种新的压电能量收集与管理电路结构图，左边为 P-SSHI 电路，它能够把压电振动的能量存储在电容C1中; P-SSHI电路的下面为控制电路，它根据压电元件两端的电压Vp、Vn 、电感 L 两端电压Vx，Vy分别提供给 Vg1、Vg2 信号给 M1、M2 。P-SSHI 电路的右边为 DC/DC 电路，它的目的在于得到稳定的输出电压Vout

37、，并且能够降低功耗。4.2电路仿真P-SSHI 电路仿真测试图如图4所示。整个电路用simulink仿真，在逻辑电路中非门的延迟为 70 ns，或非门的延时为80 ns，D 触发器上升延时 25 ns，下降延时40 ns，触发器参数设置为上升阈值电压为2.5V，下降阈值电压为0.5V，延时为20ns。IP=150A，fP=50Hz，CP=140nF，RP=10M。二极管采用肖特基二极管BAT54，VD为0.3V，电感L1为15H，C1为1F，输出电阻R1为100k。图4.2 P-SSHI 电路图4.3 P-SSHI 电路压电元件电压波形图4.3为P-SSHI电路压电元件电压( Vpn )波形图

38、，横轴为时间（s），竖轴为电压（V）。当Ip在0附近时，压电元件电压会翻转接近至输出电压(Vout)，这样有利于将更多的能量存储在电容C中。图4.4 P-SSHI电路与传统AC/DC电路收集能量对比图4.4为P-SSHI电路与传统AC/DC电路能量收集对比图。红色线为P-SSHI电路，蓝色虚线为AC/DC电路，竖轴为输出功率（W），横轴为输出电压（V）。当输出电阻R为100k，输出电压为6.016V，所收集到的功率为361.9W。整个负载所收集的能量相比传统的AC/DC电路提高5倍以上。图4.5 输出电压波形DC/DC 电路中 L2为1mH，C1为220F，1 = 60k。压电能量管理电路输出

39、电压如图4.5所示，其仿真结果显示输出电压为 3.3V，电压精度为0.02% 。根据相关资料显示，在同样的输入情况下，普通能量收集电路的输出功率为31W到120W之间，而这款能量收集管理电路可以达到360W以上。效率大大增加。5 展望在生产或生活的各种情景当中，有大量的场景和环境条件不足以让我们随时有效的更换所需的电池，供能问题必须得到改进。现在压电振动能量收集技术不断创新发展，工艺不断改进，我们所研究的不同形式的压电式能量收集器也不断被研发出来，压电片的发电特性也不断提高，未来多年我们能利用压电式振动能量收集系统装置的发电能力会不断提高，收集能量的效率会不断提高。由于各种外在因素的制约，我们

40、对于无线设备的供电要求也变得越来越迫切，比如在无法获取安全可靠的电源的情况之下，设备自身的续航水平就决定了其在该范围内的适用水平。但是，高续航都是由技术革新来实现的，如今我们的科技水平虽说取得了长足的进步，但是依然与许多的技术性难题尚未解决，这些原因制约着我们的产品发展。压电式振动能量收集装置在不久的将来将作为一种可有效利用的无源型的供能设备，其小型化，可控制，结构简单，易于推广的特性将成为其走向工业生产和社会使用的优秀选择。本文运用电子电力技术、模拟电路设计等各种相关机电类专业知识，分析了常见的压电式能量收集技术，设计并优化了压电式能量收集电路与管理电路方面。今后在研究相关技术时，为了使压电

41、是振动能量收集装置被广泛应用到生产生活等实际场景当中，更深一层次的研究发展工作可以有针对性的从以下几个方面进行进一步的研究：1.压电陶瓷片的性能可以被深入挖掘，相关材料领域的研究人员可以针对这一方向来深入探讨。寻找新的压电发电材料让压电片能有更优秀的发电性能，并且方便加工和易于推广。2.本次研究改进了能量收集与管理电路，在今后可以优化并让其实现自动化，目前凌力尔特公司的一款名为LTC3588的芯片可能是为了压电式振动能量收集系统的发展方向之一。LTC3588-1集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，以通过压电传感器收集环境中的振动能量，然后将这种能 量转换成良好调节的输出，以

42、为应用微控制器、传感器、数据转换器和无线传输组件供电。LTC3588-1在 2.7V 至 20V 的输入电压范围内工作，非常适用于多种压电传感器以及其它高输出阻抗能源。其高效率降压型DC/DC转换器提供高达100mA的连续输出电流或甚至更高的脉冲负载。其输出可以设定为 4 个固定电压之一 （1.8V、2.5V、3.3V或 3.6V），以为无线发送器或传感器供电。输出处于稳定状态时 （无负载时） 静态电流仅为 950nA，从而最大限度地提高了总体效率。图5.1 外接电路图5.2芯片外观这将成为未来压电式振动能量收集系统小型化，标准化的重要发展方向。3.可以根据使用环境的不同设计并改进压电片的外观

43、和机械结构。来适应多种情况下的使用场景。这样可以发掘出能量收集电路更多的使用途径。31谢辞为时一个学期的毕业设计即将结束了，首先要诚挚地感谢刘娜老师对我的细心指导，因为我的进度问题和内容屡次麻烦老师，真的非常感谢老师在百忙之中对我的指导。我要还由衷的感谢大学期间各位老师和辅导员的栽培，感谢北京理工大学珠海学院为我们学生提供了良好学习环境、发展平台以及师资力量。还要感谢各位同学的友谊互助，感谢父母亲人的支持理解，感谢一路上遇到的你们。在此大学四年期间，我自身得到很大的进步，不管是学习能力还是知识储备，还是社会交往能力、生活能力都得到了很大的提升，为我即将进入社会提供了信心与力量。也希望我能在步入

44、社会以后成为一个合格的毕业生。在疫情期间为了顺利完成毕业设计我开始通过在网上查阅学习有关振动能量收集技术和电路系统等相关的资料和优秀论文，我克服了大量困难并认真地完成了本次毕业设计。在这一路上我不仅重新温习了大学四年来所学的模拟电路技术以及电子电力技术等课程，更学习到了许多课堂外的知识，这使得我的综合知识水平得到了一定的提升，同时也压电式振动能量收集系统知识有了初步的了解、还阅读了大量的压电能量收集相关的书籍等等。通过这次论文撰写，在参考各类论文，书籍期刊等有珍贵价值的文献以及借鉴众多国内外专家学者的宝贵经验的同时，我学习到许许多多国内外学术界先进的前沿理论知识，这对即将踏入社会的我无疑是一笔

45、十分宝贵的财富，同时也是我人生当中难忘的一次课程。这些经历都能让我受益终生。最后由于个人的学术知识有限，并且在疫情期间，一直在实习，没有回到学校来做系统的知识梳理和实验论证。这篇论文中的难以避免会有一些疏漏和不足的地方，论文整体研究进展不是很完整。仍有大量能完善修改和进一步研究的空间。以后有机会我希望能进一步的研究这项技术。最后再一次地诚挚地感谢刘娜导师在学术上给予的悉心指导。2020年5月参考文献1 基于压电臂梁的振动能量收集器的研究 王青萍 - 中国优秀硕士学位论文全文数据库- 2010.2 振动微能量收集管理系统的研究 刘超 - 中国优秀硕士学位论文全文数据库- 20143 基于压电效应

46、的能量收集 潘家伟 - 中国优秀硕士学位论文全文数据库- 20084 基于压电效应的能量收集 潘家伟 黄卫清 周凤拯 冒俊 - 压电与声光- 20095 压电复合材料性能参数预测 黄鑫 - 中国优秀硕士学位论文全文数据库- 20106 多次压电效应及其自感知执行器的应用研究 石银辉 - 中国优秀硕士学位论文全文数据库- 2008.7 基于低频环境振动驱动的微型压电式能量收集器的结构研究 征琦 - 中国优秀硕士学位论文全文数据库- 20148 双质量块结构和旋转磁结构d_15模式压电俘能器的俘能特性 王永峰 - 中国优秀硕士学位论文全文数据库- 20189 新型大功率升降压型DC-DC变换器控制研究,船电技术，彭力.1999，3(1) :26-28.10 Buck-Boost变换器的本质安全特性分析及优化设计， 钟久明.西安科技大学硕士学位论文2006.35