微能量收集技術(shù)及儲能器件研究

鄂世舉， 郭 壯， 曹建波， 任鈺雪，金建華， 蔡建程， 朱喜林， 周 武

(浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004)

微能量收集技術(shù)及儲能器件研究

鄂世舉， 郭 壯， 曹建波， 任鈺雪，金建華， 蔡建程， 朱喜林， 周 武

(浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004)

為提高微能量收集的轉(zhuǎn)換效率，分析了3種典型的換能裝置結(jié)構(gòu)及其等效電路，探究了3種換能裝置的能量收集電路的工作原理、優(yōu)缺點及能量轉(zhuǎn)換效率，對比分析了常用儲能器件.結(jié)果表明：帶控制單元的能量收集電路效率高，超級電容和鋰電池適合微能量收集系統(tǒng).基于以上分析，對微能量收集技術(shù)和儲能器件研究提出了建議，帶控制單元的能量收集電路和組合形式的儲能系統(tǒng)是進一步研究微能量收集系統(tǒng)效率的一個方向.

微能量收集系統(tǒng)；換能裝置；收集電路；儲能器件

由于資源短缺和環(huán)境污染，人們對可再生能源的關注越來越密切.目前，人們熟知的可再生能源有太陽能、風能、潮汐能、地熱能等[1].另外，還有一些微型可再生能源未被充分利用，如溫差、形變、振動、射頻等.隨著新型的微型電子系統(tǒng)如微型傳感器、醫(yī)學植入裝置等不斷發(fā)展，頻繁更換微型電子系統(tǒng)的電池問題亟需解決，解決該問題的關鍵是設計出能長期供電且免維護的發(fā)電系統(tǒng).“能量收集”通常指的是捕獲環(huán)境中的能量，并將其轉(zhuǎn)換為一種有用的形式，通常是電力.微能量收集可以將一些可再生能源收集并轉(zhuǎn)換為電能,給低功耗器件(通常是mW級別)供電.

微能量收集系統(tǒng)[2- 3]主要包括換能器件、電力轉(zhuǎn)換器、控制單元、電能儲存器件和負載5個部分，如圖1所示.圖中換能器件可以將外部的機械能轉(zhuǎn)換為電能.根據(jù)換能器件和發(fā)電原理的不同，典型的換能裝置可以分為3種：壓電式、靜電式、電磁式[4- 5].通常換能裝置產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定，電力轉(zhuǎn)換器將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換為便于儲存的穩(wěn)定能量，由儲能器件為負載供電.

圖1 微能量收集系統(tǒng)

目前,國外研究微能量收集系統(tǒng)整體效率的較多，如文獻[2]對微能量收集系統(tǒng)的換能器件、轉(zhuǎn)換器、儲能器件及控制單元進行單獨分析后，綜合考慮系統(tǒng)的整體設計，實現(xiàn)了系統(tǒng)整體效率的優(yōu)化.而國內(nèi)在該方面的研究很少，大多單獨分析某一環(huán)節(jié)對整個系統(tǒng)的效率影響問題，如文獻[1]對介電彈性體能量收集的研究，主要集中在換能器件上，而對其余環(huán)節(jié)的分析較少；又如文獻[4]對振動微能量收集的研究，簡單分析結(jié)構(gòu)設計后,主要集中在對換能器和控制單元的優(yōu)化，后續(xù)工作中沒有對系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率進行研究，而主要研究優(yōu)化后電路的效率.

國內(nèi)外對微能量收集系統(tǒng)的研究，較多針對單一環(huán)節(jié)的效率問題，從系統(tǒng)層級考慮效率優(yōu)化的較少.但微能量系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)相互關聯(lián)，單一地提高某一環(huán)節(jié)效率可能會嚴重影響其他環(huán)節(jié)效率.本文旨在分析3種換能裝置結(jié)構(gòu)及其能量收集電路和儲能方式，尋找各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，為進一步研究整個系統(tǒng)效率提供參考.

1 換能裝置與機電耦合等效電路

比較典型的換能裝置有壓電式發(fā)電機、介電彈性體發(fā)電機[6]和電磁式振動發(fā)電機[7].機電耦合等效電路是將換能裝置的力學模型與電學模型結(jié)合，便于設計優(yōu)化換能裝置的結(jié)構(gòu),研究微能量收集系統(tǒng)的效率.

1.1 壓電式發(fā)電機結(jié)構(gòu)與機電耦合等效電路

懸臂梁結(jié)構(gòu)是目前應用比較廣泛的壓電式發(fā)電結(jié)構(gòu)，圖2所示為雙晶壓電懸臂梁結(jié)構(gòu).圖中金屬片上下兩面分別粘貼壓電片，一般是壓電陶瓷片.自由端固定質(zhì)量塊，其作用是降低懸臂梁結(jié)構(gòu)的固有頻率.當自由端受到外力上下振動時，懸臂梁有較大的撓度[5]，并且諧振的頻率較低，這種單端固定的方式適用于矩形壓電片.懸臂梁結(jié)構(gòu)對外界刺激比較敏感，適用于激勵較小且頻率較低的場合，因此,該結(jié)構(gòu)適用于微能量收集[8].

1.夾具;2.金屬片;3.壓電片;4.降頻質(zhì)量塊

圖3所示為該機構(gòu)的機電耦合等效模型[9- 11].該模型由左部的機械等效結(jié)構(gòu)、右部的電等效結(jié)構(gòu)及中間的轉(zhuǎn)換裝置3部分組成.機械等效結(jié)構(gòu)包括：輸入的外力(VS);梁的有效剛度(C);懸臂梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量(L);機械損耗(R).電等效結(jié)構(gòu)包括：壓電片的固有電容(Cp);等效負載阻抗(RL).中間轉(zhuǎn)換裝置為機電能量轉(zhuǎn)換變壓器(Te)，其中n∶1表示機電能量轉(zhuǎn)換效率.

壓電發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小，適用微小振動等場合.發(fā)電量較小，對于功率較大的負載，需要采用組合拓撲結(jié)構(gòu).對特定場合及負載，壓電發(fā)電機可以靈活地改變自身機構(gòu)，使其應用范圍更加廣泛.

圖3 壓電懸臂梁機電耦合等效模型

1.2 靜電式發(fā)電機結(jié)構(gòu)與機電耦合等效電路

靜電式發(fā)電機的換能材料具有可變電容的特性，比較典型的是介電彈性體發(fā)電機(dielectric elastomer generator,DEG).一般DEG需要外置高壓電源提供偏置電壓，換能材料的電容值產(chǎn)生變化時形成電壓變化.介電彈性體膜兩面涂覆柔性電極[6,12],構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖4所示.

1.柔性電極;2.介電彈性體膜

介電彈性體膜形成的電容是非線性的電容[12].文獻[13- 14]利用PSPICE軟件對非線性可變電容進行建模，以間距變化量xt作為輸入，以電壓Vout作為輸出，通過類比將機械部分和電路部分結(jié)合進行建模.該模型將力類比為電流，速度類比為電壓.類比以后的模型如圖5所示.圖5中:Gi是輸入力;Vd是電流控制的電壓源;G1,G2分別是V1,V2電壓控制的電流源;RL是等效負載阻抗:

(2)

式(1)～式(2)中:qt是t時刻介電彈性體電荷量;xt是t時刻位移增加量;ε0是空氣的相對電容率;At是t時刻膜的面積.虛線框1表示的是根據(jù)公式(3)所示的積分電路;虛線框2是可變電容輸出電路.

DEG的比能量密度較大，材料柔性較大，適用于一些大變形的場合.由于受外置高壓偏置電源的限制，DEG運用場合受到很多限制，解決高壓偏置電源是推動其技術(shù)發(fā)展的關鍵.DEG結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適用范圍廣，解決其目前存在問題后勢必會被廣泛運用.

圖5 DEG機電耦合等效模型

1.3 電磁式發(fā)電機結(jié)構(gòu)與機電耦合等效電路

電磁式振動發(fā)電機根據(jù)振動器件可以分為3種類型[4,7]：動鐵型、線圈振動型、鐵圈同振型.以動鐵型為例，永磁磁鐵為振動部件，結(jié)構(gòu)如圖6所示[15- 16].在外力作用下磁鐵運動，線圈中的磁通量產(chǎn)生改變，根據(jù)法拉第電磁感應定律，磁通量的改變會使線圈中產(chǎn)生感應電動勢和感應電流[17- 18].

1.質(zhì)量塊;2.底座;3.彈簧;4.永磁磁鐵;5.線圈

圖7 電磁式線圈振動發(fā)電機機電耦合等效模型

圖7所示為電磁式線圈振動發(fā)電機機電耦合等效模型[19]，其中輸入力用電流源表示，感應電動勢用V(t)表示，感應電流用i(t)表示.機械結(jié)構(gòu)包括等效電阻(Rm)、電感(Lm)和電容(Cm)，其中

(5)

式(4)～式(6)中:θ是機電耦合系數(shù);c是阻尼系數(shù);k是彈簧勁度系數(shù);m是質(zhì)量塊和線圈的質(zhì)量和.圖7中,Lc和Rc分別是線圈等效的電感和電阻值，RL是等效負載阻抗.

電磁振動發(fā)電機發(fā)電量較大，適用于負載功率較大的場合，但其體積較大，且能量密度較低，適用場合受到限制.將電磁振動發(fā)電機與其他2種發(fā)電機結(jié)合設計出新的發(fā)電結(jié)構(gòu),可以同時滿足不同場合和負載功率的要求，可以進一步擴大微型發(fā)電機的適用范圍.

表1為上述3種發(fā)電技術(shù)參數(shù)及其特點的對比[6].3種發(fā)電技術(shù)各有特點，在選用發(fā)電機的問題上，應綜合考慮負載功率、運用場合及成本.同時還應該考慮到后續(xù)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換效率問題，可將設計的發(fā)電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為與其對應的機電耦合模型，在確定合適的能量收集電路和儲能器件后，對整個系統(tǒng)模型進行仿真，避免提高了單一環(huán)節(jié)效率卻降低了整體效率的情況.在將發(fā)電機轉(zhuǎn)化為機電耦合模型的過程中，如何確定發(fā)電機的主要參數(shù)是目前機電耦合等效模型建立的難題.

表1 3種發(fā)電技術(shù)對比

2 能量收集電路

能量收集電路可以收集換能器件產(chǎn)生的電能，并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電能.換能裝置產(chǎn)生的電能比較微弱，要求能量收集電路具有低損耗的特性，以提高能量轉(zhuǎn)換效率.

2.1 壓電能量收集電路

壓電懸臂梁的壓電層在運動過程中在拉伸和收縮狀態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)換，輸出交流電，收集利用之前需要將其轉(zhuǎn)換為直流電[20].通常使用整流橋作為壓電能量收集電路，這種電路叫做標準接口電路[21]，如圖8所示.

圖8 標準接口電路

在標準接口電路的基礎上，填谷電路[22]、并聯(lián)電感同步開關(synchronized switch harvesting on inductor,SSHI)電路[23- 24]、電流斷續(xù)模式(discontinuous current mode,DCM)下的升降壓變換器電路[11,17]等典型電路被提出.

2.1.1 填谷電路

填谷電路由2個電容和3個二極管組成，如圖9所示.填谷電路替代了標準接口電路中的電容Cr.當外部電路對其充電時，D4導通，D2和D3截止，電容C1和C2串聯(lián)，電容值降低；當外部電路停止充電時，D2和D3導通,D4截止，電容C1和C2并聯(lián)，電容值增大.

圖9 填谷電路

填谷電路需要的器件少，不需要外界控制電路，無需額外電源，體積小，成本低.文獻[22]對比了標準接口電路與填谷電路帶負載的能力，發(fā)現(xiàn)填谷電路帶負載能力較標準接口電路上升33%.該電路由于沒有控制電路，不能對輸出進行有效調(diào)控，可調(diào)性能差，可對其加入能自供電的控制回路，不僅避免額外電源的問題，還能有效調(diào)控輸出電壓.

2.1.2 電感同步開關(SSHI)電路

SSHI電路是在標準接口電路的基礎上加入一個電感和同步開關的模式，SSHI電路利用L-C振蕩電路的原理來實現(xiàn)電壓翻轉(zhuǎn).某一時刻t1，壓電發(fā)電產(chǎn)生的電壓小于濾波電容Cr的電壓，整流橋處于截止狀態(tài)，開關S閉合，電感L和壓電發(fā)電機的等效電容構(gòu)成一個L-C振蕩電路，該振蕩電路的頻率遠大于壓電發(fā)電機的機械頻率，電壓的翻轉(zhuǎn)在非常短的時間內(nèi)就已經(jīng)實現(xiàn)，見圖10.翻轉(zhuǎn)后的t2時刻，開關S斷開，此時,壓電發(fā)電機兩端產(chǎn)生高于電容濾波電容Cr的電壓，整流橋?qū)ǎ瑝弘姲l(fā)電機的輸出電壓與位移同步.

SSHI電路能夠更快地輸出電流，提高能量收集效率.但開關S需要外部控制電路，且電感L和開關S也存在一定的能量損耗[24].文獻[23]中提出SSHI電路可以將壓電懸臂梁輸出的電壓轉(zhuǎn)換為矩形波,有效增大負載兩端電壓，從而提高輸出功率；當負載為20 kΩ時，輸出功率比標準接口電路提高14.8%.文獻[24]對SSHI技術(shù)進行改進，提出了基于電感的并聯(lián)同步開關收集電路(parallel synchronized switch harvesting on inductor,P- SSHI).仿真發(fā)現(xiàn),該電路收集到的能量相比標準接口電路提高5倍以上.

圖10 并聯(lián)電感同步開關(SSHI)電路

2.1.3 電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路

電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路是在標準接口電路的基礎上加入一個開關、傳感器、二極管和電感的模式，如圖11所示.該電路通過控制占空比,使得升降壓變換器工作在2個模式：最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)模式與輸出電壓調(diào)節(jié)模式.

圖11 電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路

設定閥值電壓VHT和VLT，當VLTVHT時，控制單元開關S的控制信號占空比，使得升降壓變換器工作在輸出電壓調(diào)節(jié)模式.

電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路可以實時調(diào)節(jié)輸出電壓，使其輸出電壓穩(wěn)定，但控制單元的電能消耗不可忽視.文獻[11]中的壓電發(fā)電機在44 Hz時達到諧振頻率，此時輸出最大功率3.5 mW，能量轉(zhuǎn)換效率為53%；控制單元和二極管消耗能量最大，占總損失能量的64%.文獻[17]利用該電路可以實現(xiàn)控制單元自供電,并且輸出1.6～5.5 V的電壓，能量轉(zhuǎn)換效率在84%以上.

SSHI電路及升降壓變換器電路可以提高轉(zhuǎn)換效率，控制輸出電壓,但其開關及電感的損耗不容忽視，未來可以采用新型材料的柔性開關替代，減少損耗，提高效率.

2.2 DEG能量收集電路

DEG典型的能量收集電路有3種：升降壓變換器電路[25]、自吸式電路(self- priming circuit,SPC)[26- 29]、電感同步開關(SSHI)電路[30].

2.2.1 自吸式電路(SPC)

自吸式電路與填谷電路相似，由二極管與電容組成.文獻[27]提出多級電荷泵電路和集成自吸式電路(integrated self- priming,ISPC).Mckay等[26]對多級電荷泵電路進行仿真，并對DEG電容值、電荷泵級數(shù)和電荷泵電容值之間的關系進行研究，得出了某一DEG電容值對應的最優(yōu)電荷泵級數(shù)和電荷泵電容值.多級電荷泵電路如圖12所示，虛線代表省略的級數(shù)，圖中電容值為最優(yōu)電荷泵電容值.DEG在發(fā)電過程中，SPC在高壓低電荷狀態(tài)和低壓高電荷狀態(tài)之間切換.該電路能在DEG運行多個周期后實現(xiàn)自偏置的功能.

圖12 多級電荷泵電路

集成自吸式電路(ISPC)將DEG作為SPC的電容.Mckay等[26- 28]提出了二級ISPC，如圖13所示，把原SPC中的電容用DEG替代，減少器件數(shù)量，提高發(fā)電裝置的能量密度.單級的ISPC看作2個可變電容在180°的相位差下工作，機械能引發(fā)的電容振蕩為電荷泵提供額外的能量,使其工作.二級ISPC的工作頻率是單級的2倍,且每個周期可以產(chǎn)生2次電壓峰.

圖13 二級集成自吸式電路

文獻[26]采用上述電路可以經(jīng)過幾個循環(huán)周期將電壓由10 V泵升為3.25 kV.同時文獻[26]還提出DEG偏置電壓升高時，發(fā)電效率和電壓增大，在偏置電壓達到2 kV時，效率可以達到84%.文獻[28]采用上述電路，以10 V電源作為偏置電源，在4.7 s時間內(nèi)，負載電壓泵升為2 kV，分析認為，主要損耗是介電彈性體粘彈力特性產(chǎn)生的.

2.2.2 升降壓變換器電路

升降壓變換器電路利用電力電子器件實現(xiàn)升降壓的功能，如圖14所示.當介電彈性體被外力拉伸的時候，升降壓變換器電路工作在升壓變換器狀態(tài)，能量由電容C傳遞到DEG；當介電彈性體收縮的時候，升降壓變換器電路工作在降壓變換器狀態(tài)，能量由DEG傳遞到電容C.文獻[25]將能量收集基本電路和升降壓變換器電路對比，發(fā)現(xiàn)能量收集基本電路的效率只有12.1%.效率低的主要原因是DEG拉伸過程中需要偏置高壓所致；升降壓變換器電路與理論仿真相比，該電路可以到達理論最大能量的90%.

另外，亦可采用與前文壓電發(fā)電機中相似的電感同步開關(SSHI)電路.

圖14 升降壓變換器電路

2.3 電磁振動能量收集電路

電磁振動能量采用的收集電路與上述2類換能裝置中采用的電路大致相似.Wang等[31]將標準整流電路、同步電荷萃取電路(synchronous electric charge extraction,SECE)、并聯(lián)SSHI和串聯(lián)SSHI電路進行對比，通過頻率分析，4種電路能量收集功率和效率都可以由無量綱電阻(RN)和等效力系數(shù)(αN)表示.Cao等[15]在基本整流電路基礎上提出前饋和反饋控制電路，可以使電磁振動換能器件最大功率達到35 mW并成功驅(qū)動4個加速度計.

除了上述提到的幾類收集電路外，一些微型能量收集裝置(例如Mide Technology Corporation, Medford, Massachusetts, USA)和集成電路芯片(例如Linear Technology Corporation, Milpitas, California, USA)已經(jīng)被商業(yè)化生產(chǎn)[5].另外，目前微能量收集裝置集成電路包括基于機械振動、電磁式能量收集、光電轉(zhuǎn)換、熱能收集等.基于DEG的集成電路產(chǎn)品還比較少見，有較大的研究空間.

通過分析上述各類收集電路后發(fā)現(xiàn),電荷泵電路及其演變的集成自吸式電路可以優(yōu)化后作為自偏置電路使用，使得微能量收集系統(tǒng)不需要外界輔助電源就可以進行能量收集、轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電能為系統(tǒng)控制單元提供能量，并將剩余的能量存儲在儲能器件中.整個能量收集過程不需要外界輔助能源，實現(xiàn)系統(tǒng)自行運轉(zhuǎn)，這也是微能量系統(tǒng)發(fā)展的趨勢.在系統(tǒng)效率方面，僅對電路拓撲結(jié)構(gòu)進行改進，可能會使電路轉(zhuǎn)換效率提高而機電耦合能力下降或儲能效率降低.因此,在改進電路結(jié)構(gòu)的同時也應該調(diào)整其他環(huán)節(jié)參數(shù),使得整個系統(tǒng)的效率提高.

3 儲能器件及特性參數(shù)

儲能器件的作用是儲存電能，為負載提供穩(wěn)定輸出.其特性不僅影響系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，還會影響負載的工作情況.儲能器件的特性研究也是微能量收集系統(tǒng)研究的重要部分.

3.1 儲能器件

目前能量儲存器件主要有3類[32]：

3.1.1 電容器

電容器[33- 34]可以分為普通電容和超級電容.標準收集電路通常采用鋁電解電容作為紋波電容.實驗表明，電解電容的充放電速度都比較快，容量較大的電容其體積也比較大，不能滿足微能量儲存的設計要求[32].

超級電容是近幾年發(fā)展起來的專門用于能量儲存的特殊電容器.它是一種介于普通電容器和蓄電池之間的儲能器件，作為一種新型儲能器件，超級電容有以下優(yōu)點：電容量大，充放電壽命長，能提供比較大的放電電流，充電時間短，正常工作溫度范圍廣等.

3.1.2 充電電池

充電電池按照化學成分可以分為鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池[35].鉛蓄電池能量密度低，鎳鎘電池具有記憶效應，不適合短時間充電，因此,這2種電池沒有被用作微能量儲能器件.鎳氫電池不需要電荷控制和電壓校正電路，儲能電路簡單，但其能量密度不如鋰電池高.鋰離子電池能量密度高，但需要復雜的充電電路.充電電池也存在一定的問題，如充放電壽命短，充電時間長等.

3.1.3 超導體

超導體具有三大基本特性：零電阻、邁斯拉效應和約瑟夫森效應[3].但由于其受工作溫度的限制，超導體儲能并不適用于微能量存儲.

3.2 儲能器件特性參數(shù)

文獻[36]對幾種主要儲能器件的技術(shù)經(jīng)濟性能參數(shù)和動態(tài)響應特性進行對比，如表2所示.

文獻[37]用相同條件下的壓電發(fā)電機對超級電容、鋰電池和鎳氫電池進行充電，當開路電壓為24 V時，超級電容、鋰電池和鎳氫電池的充電效率分別為95%，92%和65%.文獻[38]將電容和電池能量存儲性能進行比較試驗，電容的充電時間短、電池的充電時間長，并且不能立即使用，但是電池提供的電壓比較穩(wěn)定.對比發(fā)現(xiàn),鋰電池能量密度大，能量利用率高，適用于微能量儲存.

表2 技術(shù)經(jīng)濟性能參數(shù)和動態(tài)響應特性

將超級電容和鋰電池相結(jié)合作為儲能器件值得深入研究，利用電容充電的快速性，然后由電容給電池充電，保證輸出電壓的穩(wěn)定.根據(jù)負載，選定合適的組合儲能器件后，將組合形式的儲能器件建立對應電學模型，與上述機電耦合等效模型和收集電路結(jié)合，建立整個系統(tǒng)模型.同時可以根據(jù)收集電路的輸出調(diào)整組合儲能器件的結(jié)構(gòu)，簡化收集電路，提高能量存儲效率.

4 結(jié) 論

本文研究分析了當前換能裝置研究中典型的3種發(fā)電結(jié)構(gòu)、能量收集電路和儲能裝置.分析發(fā)現(xiàn),帶控制單元的能量收集電路效率高，但相比其他電路，控制單元的能量損耗也不可忽視.優(yōu)化后的自偏置電路可以實現(xiàn)系統(tǒng)自供電，不需要外界輔助能源為控制單元供電，實現(xiàn)系統(tǒng)自行運轉(zhuǎn).對比發(fā)現(xiàn),儲能裝置中超級電容特性較好，但其放電特性不如鋰電池.

目前能量收集電路和儲能裝置的獨立研究較多，但將兩者結(jié)合的研究較少，因此,通過控制單元將能量收集電路與組合形式的儲能裝置相結(jié)合有較大的研究空間.本文分析認為,未來可從以下幾個方面進行研究，以推動相關技術(shù)取得進展：

1)微能量收集電路集成化.電路的電能損耗在微能量收集系統(tǒng)中占很大比例，收集電路集成化既可以減小占用體積，又可以降低電路損耗.

2)控制單元將微能量收集系統(tǒng)的各部分進行整合.例如升降壓變換電路中，可以將換能裝置的某一參數(shù)作為前饋信號，將儲能裝置的某一參數(shù)作為反饋信號，控制單元根據(jù)信號實時調(diào)節(jié)開關的占空比，將系統(tǒng)作為一個整體進行調(diào)節(jié)，保證輸出穩(wěn)定性的前提下，提高能量裝換效率.

3)微能量收集系統(tǒng)參數(shù)可調(diào).目前微能量收集系統(tǒng)難以大量生產(chǎn)，主要原因是負載與工作環(huán)境，特定負載與工作環(huán)境對微能量收集系統(tǒng)參數(shù)要求不同.若微能量收集系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)，對收集電路及儲能器件參數(shù)進行適當調(diào)節(jié)，可以使其適合更多的工作負載和環(huán)境.

4)超級電容與鋰電池結(jié)合作為儲能器件，保證充電的快速性和輸出的穩(wěn)定性.

5)較之壓電式和電磁式發(fā)電機，DEG具有其特殊的性能，未來具有廣泛的應用前景.

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(責任編輯 杜利民)

Research on micro energy harvesting technology and energy storage device

E Shiju, GUO Zhuang, CAO Jianbo, REN Yuxue,JIN Jianhua, CAI Jiancheng, ZHU Xilin, ZHOU Wu

(CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

In order to improve the conversion efficiency of micro energy harvesting, three typical generators were studied and their equivalent circuits were analyzed. The working principles, advantages and disadvantages and energy conversion efficiency of three energy harvesting devices were discussed. Typical energy storage devices were compared. The results showed that the energy harvesting circuit with control unit was the most effective one, supercapacitor and lithium battery were suitable for micro energy harvesting system. Based on the analyses, some advises were proposed for the micro energy harvesting technology and energy storage devices. Combining the energy harvesting circuits with control unit and combined form of energy storage system would be one of the directions for further research on the efficiency of micro energy harvesting system.

micro energy harvesting system; energy conversion device; harvesting circuit; energy storage device

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.004

2016- 09- 12；

2016- 11- 21

國家自然科學基金資助項目(51377146;51407162;51405450);浙江省自然科學基金資助項目(LY17E070001)

鄂世舉(1970-)，男，吉林長春人，教授，博士.研究方向：新型功能材料驅(qū)動與發(fā)電.

曹建波.E- mail: cjb@zjnu.cn

TM13

A

1001- 5051(2017)02- 0137- 09