压电能量采集与存储电路的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

随着社会的不断发展，人们对电能的需求也越来越大，而传统的电能获取方式所消耗的传统资源如火电所使用的煤等不可再生资源也变得越来越少。为了解决这个问题，新能源成为了科学领域研究的热点。现在，比较成熟的新能源有风能、太阳能、水能等^[1]。

随着科技的发展，电子设备越来越小型化，在微电子领域里，能量的供给问题也越来越受到人们的关注，由于其能量供给方式具有一定的特殊性，比如能量获取装置的结构尺寸不能太大、系统的能量消耗很小等。前使用的常规供电方式是电池供电，但是电池的电量有限，当电池的电量耗尽时就需要更换，但是有些微电设备分布不集中，而且经常分布在偏远、难以到达甚至是封闭的环境中，因此更换电池很不方便甚至不能更换，并且大量使用电池会带来环境污染问题^[2]。

在再生新能源领域，太阳能、风能、热能等新能源的利用技术也已经很成熟，可以考虑将它们应用于微电子系统领域。但是由于其自身的特点，使得它们有其无法改变的局限性，比如太阳能和风能的利用受到地理位置和天气条件的限制，需要专门的充电电路等^[3]。

振动能是自然界中广泛存在的一种能量，人们越来越关注如何采集振动能为电子设备供电，实现能量的自给。将机械振动转化为电能可以釆用三种方法：电磁式、静电式和压电^[4]。这三种方法的比较如下表：

	电磁式	静电式	压电式
	电磁式是利用电磁感应现象将导体的振动转化为电能，	静电式是通过外力激励改变可变电容的容量来实现的，	压电式是利用压电材料的正应电效应，通过能量收集系统，将外部环境的振动能转化为电能，并储存在存储装置中，从而给微电子系统供电。
特点	这种方法需要使用大体积的线圈，产生的感应电压小，能量捕获的效率不理想。	这种方式的缺点是需要一个独立的电源为其提供稳定的电压，因此这种方式具有很大的局限性。	这种方式不需外部供电，仅需内部的装置便可。

将这三种方式进行对比后得出，压电转换方式的力电转换效率高、构造形式灵活、结构简单、环境适应性强并且易于实施，因此非常适合捕获环境中的振动能量。并且压电能量捕获装置具有持久、清洁、免维护的特点，可以替代电池为微功率电子产品提供电能，这样就使各种电子产品的应用地点和应用时间得到很大扩展，因此具有很高的使用价值和经济价值，同时解决了电池更换以及废旧电池污染环境的难题。在这种情况下，压电能量凭借着收集方式简单、应用范围广、无电磁干扰、无污染等优点，成为了微电子系统供电的理想选择。

国外压电能量转换技术研究状况：

目前,世界各国都针对压电陶瓷的振动能量捕获技术及能量储存技术展开了相关的研究工作,代表性的有美国的匹兹堡大学,英国的南安普顿大学,法国的里昂大学,香港中文大学先进微系统试验室等。一些厂商也参与其中,其中Ferro Solutions、Continuum Control、Ember、En Ocean Applications、Millennial Net、Micro Strain和Micro trend Systems等在该领域中走在前列^[5]。

1996年,研究人员第一次意识到,可以通过压电效应,将机械能转化为电能。2004年,的和第一次将悬臂梁类型的压电发电装置等效成力学和电学模型来分析。研究显示三角形梁最大输出功率密度能达到790mW/cm3^[6]。

2005年, Millennial Net公司已经将其i-Bin无线技术与Ferro Solutions公司的能量捕获技术结合在一起,形成一个感应振荡能量转换器,它能28-30Hz、50-100mg/s的振动中产生1.2-3.6mV的电压。这种i-Bin方案包括小型、超低功率、自供电无线器件,使传感器和其它监控设备能够通过低速率网络连接起^[7]。

Mide技术公司生产的双压电晶片元件qp45w,能够重复利用诸如运动、振动、压力张力等机械力产生的废弃能量。采用简单的、低成本的模拟电路,将由机械能转换来的电能存储于储能元件,从而直接替代电池^[8]。

2007年2月,Advanced Lineardevices宣布了第一款用于工业上的能量捕获模ALD'sEH300,它可以通过多种方式将机械能转换成电能,并实现能量的积累和存储,从而为无线传感器网络、远程控制和其它方面应用提供电能。ALD'sEH300能量捕获模块具有高效的能量传递效率,当外接低功耗负载时,具有长久的放电时间^[9]

国内的研究现状：

我国在压电技术领域的研究和应用则是正在快速发展,香港中文大学走在前列。目前，国内外对微型振动能采集器进行了大量的研究，从理论模型到工程应用，取得了一些重要成果^[10]。

2002年,南京航空航天大学孙亚飞、陈仁文等人应用压电驱动器存储应变场中的能量,借助瞬时电容器所构成的系统实现电荷的回收和利用^[11]。

2003年,南京理工大学的李映平、赖百坛等研究了一种引信压电电源^[12]。南京理工大学研究者张河、唐亚鸣等研究了桥梁无线传感的压电陶瓷电源^[13]。

2004年,香港中文大学的等将压电陶瓷产生的电能给传感器供电实现了传感器自供能的要求。他们在压电振子的端部粘贴质量块,通过调节质量块来改变压电振子的固有频率,实现了压电振子固有频率从几十赫兹到几千赫兹的变化,同时具有较高的加速度灵敏度和较大能量存储能力^[14]。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究内容

论文主要研究内容如下：

①查阅文献，理解压电振动能采集器的工作原理。

②研究包含充电电路在内的悬臂梁压电能量采集器的模型，在此基础上对多种充电电路的性能进行分析。

③设计振动压电能量采集器的充电电路，进行电路的仿真，分析充电电路中电子元器件参数对充电电路性能的影响。

④制作电路并完成电路的调试。

2.2研究目标

使用Ansys软件简单设计一个悬臂梁模型，以此作为压电能量产生装置，参考几种不同电路的结构的设计，比较他们之间的优点与缺陷，并对电路进行优化。在ORcad软件中进行电路设计并进行仿真、调试。

2.3本文的主要内容

第一章绪论主要介绍低功耗设备的发展现状、应用与发展，压电能量采集技术的应用与前景。压电能量的应用与研究现况，例如国内的研究与国外的先进成果。以及本文的研究内容和目的。

第二章第一节主要介绍一些压电效应与原理。第二节会介绍一些压电材料。如压电陶瓷等并比较它们之间的优缺点。第三节则是简述一下压电能量产生装置，并用Ansys软件设计一个简单的悬臂梁模型。

第三章则是能量采集与存储电路的设计，第一节介绍一下能量采集与存储电路的设计流程程，第二节简介几种基本的采集电路，压电式振动能量采集典型电源管理电路有两种电路形式，一是标准能量采集电路；二是 DC-DC 变换的优化标准能量采集电路。其流程如图2.3.1（a）、（b）。

图2.3.1（a）标准能量采集电路^[15]

优化后

图2.3.1（b）标准能量采集电路^[15]

与标准能量采集电路相比，DC-DC 变换的优化 SEH 电路具有以下特点：是一种自适应电路，储能电容 C1的充放电过程不需要外加信号控制；二是收集功率与负载无关；三是一种高效的开关转换电源。另外，还可实现集成化。标准能量采集电路由整流桥和滤波电容组成，如图2.3.2 所示。四个整流二极管组的整流桥的作用是将压电振动能采集器输出的交流电压转换成单一方向的脉电压，滤波电容兼有储能和低通滤波的功能，减小了电压的脉动，使输出电压平滑一些。

图2.3.2标准能量采集电路^[15]

第三节介绍同步电荷提取(Synchronous charge extraction)，简称 SCE，也称为 SECE(Synchronous electric charge extraction)，是压电振动能量采集的一种非线性处理技术。SECE 电路如图2.3.3所示，电路由压电元件、全桥整流器、电感器 L、电子开关 S(VG为开关控制信号)、二极管 D 和滤波电容 Cr组成。

图2.3.3同步电荷提取电路^[15]

并联 SSHI 电路原理图如图 （a）所示，由标准能量采集电路与一个非线性处理电路组成。非线性处理电路由电感器 L 和电子开关 S 串联组成，当机械位移到达最大值和最小值时，开关 S 闭合，建立了 L-C0电路振荡，电路振荡周期远小于机械激振周期，开关闭合半个振荡周期后，导致压电元件电压倒置，对应的理论位移和电压波形如图（b）所示。当开关打开时，压电元件两端残余电压 V 的绝对值远低于整流电压 VR，所以，整流桥截止。然而，电压倒置不是完善。

图2.3.4(a)并联 SSHI 电路原理图^[15]

图2.3.4(b)并联 SSHI电路位移和电压波形图^[15]

串联 SSHI 电路与并联 SSHI 电路相似，只是电感器与开在压电元件与整流器输入之间，如图（a）所示。电子开关S 的控制方法与并联 SSHI 电路相同，所以，压电元件在大多数时间处于开路状态。每次开关闭合时，存储在压电元件电容 C0中的能量通过电感器 L 和整流桥向负载传递一部分能量。相应的电压和位移波形如图（b）所示。

图2.3.5（a）串联 SSHI 电路原理图[15]

图2.3.5（b）串联 SSHI 电路位移和电压波形图[15]

并比较两种方法的特点。则各种电路比较如下表：

由上表分析，我拟采用并联电感同步开关能量采集电路。

第四章则是介绍实验样本和实验设备，以及实验测试方案与目的，进行电路仿真模拟操作，对电路图进行实验验证。得出自己的分析结果。

第五章结论与展望总结了本文得出的相关结论，并提出了压电能量采集技术的发展以及未来的方向。

2.4本文的技术方案

本文主要是利用ORCAD软件进行电路设计与仿真。在比较几种电路设计优劣后，拟采用并联电感同步开关能量采集电路，并在实验中分析各个电路元器件对电路采集效率的影响，并以此确立各元件参数，最终完成电路设计。其具体流程图2.4如下：

图2.4技术方案流程图

3. 研究计划与安排

3.进度安排

表3. 1进度安排表

进度安排甘特图如下：

表3.2进度安排甘特图

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考文献：

[1]宋洪伟.压电陶瓷的压电能量转换特性与存储电路研究[d].南京理工大学,2012.

[2]沙山克普里亚(s.priya) (作者), 丹尼尔茵曼(d.j.inman) (作者), 黄见秋 (译者), 黄庆安 (译者).能量收集技术[m].东南大学出版社，2011