應用同步開關和中間電容的能量回收接口技術研究

王宏濤 張寶強 孟瑩梅

摘要：設計了一種基于同步開關和中間電容的接口電路——SSIC（Synchronized Switch and Intermediate Capacitor）接口電路，完成了該接口電路在恒定激振位移和恒定激振力條件下回收功率的理論分析和計算，并將其與壓電振動能量回收技術中4種常用的接口電路標準、SECE、串聯-SSHI、并聯-SSHI進行了比較。計算和實驗結果均表明SSIC和SECE接口電路均具有回收功率與負載變化無關的優點，此外SSIC接口電路顯著提高了回收功率，在恒定位移激勵情況下其回收功率約是SECE的2倍。

關鍵詞：

能量回收； 壓電效應； 接口電路； 機電轉換

中圖分類號：TN712+.5； TK01文獻標志碼： A

文章編號： 1004-4523（2016）03-0386-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2016.03.003

引言

壓電能量回收技術是指利用壓電材料將周圍環境的機械振動能轉換為電能[1-4]，其基本原理是將壓電材料黏貼在振動結構表面，當振動結構在外界的激勵下發生振動時，壓電材料特有的壓電效應使其上下表面產生交變電壓，接口電路將該交變電壓轉換為直流電并儲能回收于電容或電池中，回收的能量可為微型機電系統和無線傳感設備提供能量，可見，接口電路是壓電能量回收系統的重要組成部分。接口電路具有較好的性能主要表現為回收功率大且不隨負載變化，標準（Standard）、SECE （Synchronous Electric Charge Extraction）、串聯-SSHI（Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor）和并聯-SSHI（Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor）接口是4種常用的接口電路技術[5]，其中，僅SECE接口電路的回收功率與負載變化無關，并聯-SSHI的回收功率最大但與負載變化相關。由4種接口技術還衍生出了SSHI-MR（Synchronized Switch Harvesting on Inductor using Magnetic Rectifier）[6]，hybrid SSHI[7]，DSSH（Double Synchronized Switch Harvesting）[8]，ESSH（Enhanced Synchronized Switch Harvesting）[9]以及一些能自動產生控制信號的自供能接口技術[10-13]。

本文提出了一種基于同步開關和中間電容的SSIC接口技術，該接口技術的優勢在于回收功率與負載的變化無關且回收功率約是SECE接口技術的2倍。

5結論

隨著無線傳感網絡的快速發展，利用壓電片回收環境中的振動能量為無線傳感器節點供電的技術得到了廣泛的關注，而接口電路是壓電能量回收技術的重要組成部分，因此先后出現了Standard、SECE、串聯-SSHI、并聯-SSHI 4

[HJ*3/5]種基本接口電路。本文設計了SSIC接口電路，該接口電路主要由兩個同步開關和中間電容組成，理論分析和實驗均驗證了該接口電路的回收功率與負載無關，而且約是SECE接口電路的2倍，有著優越的性能。但是，實驗中的單片機和光電耦合器都需要外接電源，回收的能量沒有考慮它們的功耗，因此，設計一個自供能的接口電路，實現用回收的能量給單片機和光電耦合器供電是今后工作的主要研究重點。

參考文獻：

[1]Badel A， Guyomar D， Lefeuvre E， et al. Piezoelectric energy harvesting using a synchronized switch technique[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2006， 17（8-9）： 831—839.

[2]Shu Y， Lien I. Analysis of power output for piezoelectric energy harvesting systems[J]. Smart Materials and Structures， 2006， 15（6）：1499—1512.

[3]邊義祥，楊成華. 基于壓電材料的振動能量回收技術現狀綜述[J]. 壓電與聲光，2011，33（4）： 612—622.

[KG2*2]Bian Yi-xiang， Yang Cheng-hua. A review of current research for energy harvesting based on vibration of piezoelectric materials[J]. Piezoelectrics and Acoustooptics， 2011， 33（4）： 612—622.

[4]Guyomar D， Badel A， Lefeuvre E， et al. Toward energy harvesting using active materials and conversion improvement by nonlinear processing[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics， Ferroelectrics， and Frequency Control， 2005， 52（4）：584—595.

[5]Guyomar D， Lallart M. Recent progress in piezoelectric conversion and energy harvesting using nonlinear electronic interfaces and issues in small scale implementation[J]. Micromachines， 2011， 2（2）： 274—294

[6]Garbuio L， Lallart M， Guyomar D， et al. Mechanical energy harvester with ultralow threshold recti？cation based on SSHI nonlinear technique[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2009， 56（ 4）：1048—1056.

[7]Lallart M， Richard C， Garbuio L， et al. High efficiency， wide load bandwidth piezoelectric energy scavenging by a hybrid nonlinear approach[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2011，165（2）： 294—302.

[8]Lallart M， Garbuio L， Petit L， et al. Double Synchronized Switch Harvesting （DSSH）： A new energy harvesting scheme for efficient energy extraction[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics， Ferroelectrics， and Frequency Control， 2008， 55（10）： 2119—2130.

[9]Shen H， Qiu J， Ji H， et al. Enhanced synchronized switch harvesting： A new energy harvesting scheme for efficient energy extraction[J]. Smart Materials and Structures， 2010，19（11）： 115017.

[10]Lallart M， Guyomar D. Piezoelectric conversion and energy harvesting enhancement by initial energy injection[J]. Applied Physics Letters， 2010， 97（1）： 014104—3.

[11]Lallart M， Lefeuvre E， Richard C， et al. Self-powered circuit for broadband， multimodal piezoelectric vibration control[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2008，143（2）：377—382.

[12]曹軍義，任曉龍，周生喜，等. 基于并聯電感同步開關控制的振動能量回收方法研究[J]. 振動與沖擊，2012，31（17）：56—60.

[KG2*2]Cao Jun-yi， Ren Xiao-long， Zhou Sheng-xi， et al. Vibration energy harvesting based on synchronized switch control of parallel inductor[J]. Journal of Vibration and Shock， 2012， 31（17）： 56—60.

[13]Junrui L， Wei-Hsin L. Improved design and analysis of self-Powered synchronized switch interface circuit for piezoelectric energy harvesting systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（4）：1950—1960.

[14]Badel A， Lagache M， Guyomar D， et al. Finite element and simple lumped modeling for flexural nonlinear semi-passive damping[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures， 2007， 18（7）： 727—742.

[15]Lefeuvre E， Badel A， Richard C， et al. A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2006， 126（2）：405—416.