1. 研究目的与意义（文献综述）
众所周知，我们的国家和社会坚持绿色发展的理念，坚持走可持续发展的道路，而能源方面的问题便是重中之重，以环保与可再生为特性的新能源愈来愈得到人们的重视，向太阳能、风能、地热能等在积极开发中，但对其的利用仍有比较大的局限性。而随着科学技术的不断进步，人们逐渐把目光投向了在环境中随处可见的能量—振动能，它具有广泛，也符合绿色发展的理念，越来越多的科学研究者在努力研究开发这中新能量，而随着微电子机械系统的发展，传统的电池的使用局限性就体现了出来，微电子机械系统尺寸较小，使用环境较为多样，而传统电池尺寸大、不易更换且有污染，所以为微电子机械系统提供良好的能源变成新的难题，由此引出能量收集装置的应用[1]。
虽说微电子机械系统的能源比较难以供应，但它的另一特点是耗能低，由此自供能微电子机械系统变得可以实现，让微电子设备自行从环境中收集能量以供自己使用，而目前使用的较为广泛的能量收集装置便是压电俘能器，它是一种基于压电效应的能量收集装置，它由压电材料制作而成，而且它结构简单、无污染、制作成本低、无电磁干扰、能量密度高、环境适应性强，这诸多优点让它更加契合微电子机械设备[2]。
振动能量来源广泛，在生活中随处可见，像道路、桥梁等交通设施、小型的汽车，大型设备起重机中存在振动能，进而通过压电俘能器收集起来，为这些设施、工具中的电子设备如无线电子传感器，照明设施等提供能量。利用压电材料制成的压电叠堆驱动器已经运用在节气门当中，提高了传统节气门的响应速度和控制精度，再比如人体振动的心脏部位使用医学设备如心脏起搏器和除颤器，使用压电俘能器结合医学设备为其供给能量，可以大大提高安全性[3]。
从压电俘能器的应用上看，它的突出优点是能量清洁，结构紧凑、环境适应性强，从环保的角度看，更加契合现在绿色、可持续发展的理念，而压电能量收集装置的整体性能是有压电俘能器和能量收集电路二者共同决定的，所以关于能量收集电路的研究也是非常重要的，而能量收集电路的研究目前来说还比较少，为了提高整个能量收集装置的输出性能，低功耗和高效率的能量回收电路还需要进一步研究，而且科学研究者们的不断研究开发下，压电俘能器和能量收集电路不断进步成熟，能量收集装置将在在各个领域都有着良好的运用，在未来它将有着良好的应用前景，从高端到底端，从军事、医学、生产领域到日常生活中，它将得到更好的运用，得到更好的效益，更加实用化。
无论是压电能量收集技术，在国内外的研究中都很热门，2004年Kim等人设计了一种(Cymbal)钹型压电结构，圆形金属帽可以有效的减少应力集中，使结构受力均匀，使其承受能力更强，能量捕获能力更强，图21为(Cymbal)钹型压电结构。2010年Rocha等人[22]基于压电效应，使用于-PVDF的电活性聚合物来制造完全集成在鞋底中的能量收集系统，通过简单的配置和电子设备，就可以进行能量收集。2015年Paul等人[23]通过压电能量收集装置与鞋子相结合，从而可以在行走过程中为智能手机充电。图22为压电能量收集装置在鞋底的布置。
图21. Cymbal型压电结构 图22.压电能量收集结构在鞋底的布置
2017年Chen等人[24]设计了一种完全集成的压电能量采集接口，如图23，该技术没有使用像并联同步开关电感电路（P-SSHI）中使用的笨重而且有高质量因数的外部电感，其采用的是一种翻转电容整流器（FCR）拓扑结构，可以通过重构电容器阵列实现压电能量收集器的电压反转，解决了无需电感器的完全集成方案，同时提高了能量收集能力。该团队[25]还0.18-1.8/3.3/6V的CMOS工艺制造了具有四个MIM电容器和23个开关的七项FCR3,如图24，其有效面积约为1.7mm2，实验结果表明，该接口与全桥整流器接口对比，可实现0.85的高电压翻转效率（）, 和4.83倍的功率增益。
图23.翻转电容整流器和模拟电压翻转效率 图24 七项FCR3的实现
2010年谢涛等人[26]采用有限元方法对多悬臂梁压电振子的有效工作频率进行了仿真分析，装置如图25。实验结果为，当多悬臂梁压电振子外接负载为820Ω、工作频率为60 Hz时,多悬臂梁压电发电装置的最大输出功率达到4.9 mW,产生的能量能够满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。2014年刘祥建等人[27]研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,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2.3mW 。蒲公英装置如图26.
图25. 多悬臂梁压电振子 图26. 蒲公英状压电振动能量收集装置原理样机
2017年江苏大学潘祎雯[28]基于穿戴式的特点,提出了以柔性压电材料PVDF为振动能传感器,同时采用贴片天线作为射频能量传感器构成两种能量共同收集的可穿戴式自供电系统，实验验证,设计的系统可以满足低功耗穿戴式设备的自主供电需求。2018年北京科技大学杨海露[29]对路面变形能量收集的研究，形成一套路面压电能量收集系统,设计了示范工程的压电供电LED标志系统,将20个压力发电器安装于路面表面轮迹带处,收集过往车辆对路面做功产生的电能给LED标志供电,形成一套完整的道路压电自供电技术。
总而言之，压电能量收集技术从理论研究到实际应用在一步一步进行，无论是其应用还是本身的性能提高，都在在不断进步，从国内外的研究中发现，压电能量收集技术不断有新研究、新应用、新发现、它在不断贴近我们的生活中，从穿戴，到交通，还有其他各种领域我们看到了它良好的发展前景，在将来压电能力收集技术将会得到更好的应用。
2. 研究的基本内容与方案
3.1本研究的基本内容
（1）了解压电能量收集装置的工作原理：了解压电原理、阵列式压电俘能器以及能量回收电路工作原理。
（2）多压电振子等效电路模型的建立及参数确定：熟悉压电俘能器能量回收电路工作原理，从经典全桥整流电路（seh）出发,学习同步电荷提取电路（sece）,同步开关电感电路（sshi）等,分析它们的工作原理，然后结合固定边界系统下的运动特性，建立多压电振子等效电路模型，基于matlab，实现压电俘能器等效电路模型最大输出功率的理论和实验对比。
（3）电路的硬件设计与仿真：基于压电俘能器能量回收电路的特性分析，提出一种改进的能量回收电路，进行能量回收电路的硬件设计与仿真，需要使用multisim软件进行仿真分析。
3. 研究计划与安排
2020.01---2020.03 阅读相关文献，并完成外文文献翻译工作；
2020.03---2020.04建立等效电路模型，基于matlab，实现压电俘能器等效电路模型最大输出功率的理论和实验对比；
2020.04---2020.05基于压电俘能器能量回收电路的特性分析，提出一种改进的能量回收电路，进行能量回收电路的硬件设计与仿真，表征各个元件参数变化对整个电路最终输出的影响。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 沙山克 普里亚，丹尼尔 茵曼．能量收集技术[m]．黄见秋译．东南大学出版社，2011：0-109．
[2] 袁江波,谢涛,单小彪,陈维山.压电俘能技术研究现状综述[j].振动与冲击,2009,28(10):36-42 223-224.
[3] 邹丽,邹鹏君.基于压电材料压电效应能量收集装置的研究与发展前景[j].内燃机与配件,2019(20):211-212.
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