壓電式能量收集器中能量提取電路的研究進(jìn)展

駱 懿， 梅開煌

(杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

從能量的捕獲角度來說，收集振動(dòng)能主要有4種方式:靜電式、電磁式、摩擦起電式以及壓電式[1～8]。由于壓電式能量收集器不僅具有可將振動(dòng)機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能的特點(diǎn)，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、不受電磁干擾、綠色環(huán)保、易于集成化、可在溫度適當(dāng)和外界所加振動(dòng)應(yīng)力合適的環(huán)境中永久使用、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)[9，10]，因此,壓電式能量收集器受到廣泛關(guān)注。然而，大多數(shù)壓電式能量收集器收集到的能量有限，一般最終可以被使用的能量只有幾十微瓦到幾毫瓦[11]。為了改善能量收集器輸出功率較低的情況，國外有研究人員提出了使用基于非線性振動(dòng)的壓電式能量收集器增加其輸入能量[12～14]，雖可提高能量收集器的輸出功率，但改善的程度并不明顯。與此相對(duì)應(yīng)的是，如果在壓電式能量收集器中使用非線性的能量提取電路，將使收集器的輸出功率得到大幅度的提高[15]。

本文首先分析了壓電元件振動(dòng)產(chǎn)生電能的原理；然后以壓電式能量收集器中能量提取電路為聚焦點(diǎn)，詳細(xì)介紹了近年來，國內(nèi)外在壓電式能量收集器中關(guān)于能量提取電路的研究動(dòng)態(tài)，并對(duì)其研究方向和研究趨勢進(jìn)行了展望。

1 壓電振動(dòng)產(chǎn)生電能原理

1.1 傳統(tǒng)單懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集器等效模型

在當(dāng)今眾多的壓電式能量收集器中，單懸臂梁式壓電能量收集器由于其構(gòu)造簡單而被深入研究，積累了相當(dāng)豐富的資料，其壓電元件的機(jī)電耦合模型可被看作一個(gè)簡單的自由度彈簧—質(zhì)量塊模型[16]，其壓電振動(dòng)發(fā)電模型及等效模型如圖1所示。

圖1 單懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集器模型及其等效模型

外部振動(dòng)結(jié)構(gòu)因振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能只有一部分轉(zhuǎn)換為電能，其余則轉(zhuǎn)換為彈性勢能、動(dòng)能以及機(jī)械損失

(1)

式中M為系統(tǒng)在共振狀態(tài)下的等效機(jī)械質(zhì)量；KE為壓電元件的模態(tài)剛度；C為系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)的阻尼系數(shù)；Kp為短路時(shí)壓電元件呈現(xiàn)出的剛度；U為質(zhì)量塊在振動(dòng)時(shí)發(fā)生的位移；V,I分別為壓電元件振動(dòng)時(shí)兩端的輸出電壓以及電流；F為外部振動(dòng)結(jié)構(gòu)作用在壓電元件上的應(yīng)力;FP為壓電元件因逆壓電效應(yīng)而作用在外部振動(dòng)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力；α和CP分別為壓電元件的應(yīng)力因子和鉗位電容。

外部振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能部分的能量

(2)

1.2 壓電元件機(jī)電耦合電路等效模型

Hofman N H等人[17]研究指出壓電元件呈容性，在電路結(jié)構(gòu)上，壓電元件的等效電路可被看作是由一個(gè)正弦電流源Ip、壓電元件內(nèi)部的鉗位電容器Cp和一個(gè)阻值極大的電阻器Rp并聯(lián)組成，其等效電路如圖2所示，其中,K為壓電元件振動(dòng)時(shí)機(jī)械剛度。

圖2 壓電元件機(jī)電耦合電路等效模型

2 壓電式能量收集器的能量提取電路

由上述可知,壓電式能量收集器內(nèi)的壓電元件在壓電效應(yīng)下輸出交流信號(hào)，但傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往需要穩(wěn)定的直流電為其供電，所以需要通過整流電路進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換[18]，將壓電元件輸出的交流電整流為直流電的電路稱為能量提取電路。其作用:1)將在外界振動(dòng)作用下壓電元件產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?)確保壓電元件產(chǎn)生的電能可以被高效地提取出來，以便為能量提取電路的后端負(fù)載的正常工作提供必要的功率；或者存儲(chǔ)壓電元件產(chǎn)生的電能。

2.1 傳統(tǒng)的能量提取電路

傳統(tǒng)的能量提取電路(SEH)結(jié)構(gòu)十分簡單，其基本思想是直接將壓電元件輸出的交流電經(jīng)過由4個(gè)二極管組成的全橋整流器整流，實(shí)現(xiàn)直流電的獲取[19]。在電路組成上，SEH包含4個(gè)二極管以及一個(gè)濾波電容器C，其容值一般較大，既能保證后端輸出的電壓波形足夠平滑，又能確保該電容能存蓄更多的能量。傳統(tǒng)能量提取電路如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)能量提取電路原理

在圖3中，電阻器RL可看作是壓電式能量收集器的等效負(fù)載，即RL消耗的功率完全來自于能量提取電路傳遞的功率。電容器C除了濾波外，還有儲(chǔ)能作用。假設(shè)單懸臂梁壓電式能量收集器發(fā)生振動(dòng)時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)位移U的波形為正弦波，則該能量收集器的壓電元件兩端輸出的開路電壓波形也是正弦波。當(dāng)電路正常工作時(shí)，壓電元件兩端的輸出電壓V及流出電流I與機(jī)械結(jié)構(gòu)位移U變化之間曲線關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)能量提取電路工作波形

分析圖4知，V與U的變化趨勢基本一致。當(dāng)U較小時(shí)，V小于整流二極管的導(dǎo)通壓降VDC，此時(shí)整個(gè)電路處于斷路狀態(tài)，壓電元件無電流流出;U增大到一定程度時(shí)，致使V大于二極管的導(dǎo)通壓降VDC，此時(shí)二極管導(dǎo)通。由于整流二極管的鉗位作用，在二極管導(dǎo)通的整個(gè)階段內(nèi)，V不變，但壓電元件兩端產(chǎn)生的交變電流經(jīng)全波整流與濾波后，以直流電壓的形式存蓄在電容器C上；由于壓電元件產(chǎn)生的能量逐漸轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容器C中，因此，壓電元件流出的電流逐漸減小。當(dāng)U到達(dá)最大值時(shí)，壓電元件兩端產(chǎn)生的電能最大，能量提取電路回收到C上的電能也最多，所以,此時(shí)壓電元件流出的電流幾乎為零。此后V隨U減小而減少，從而致使二極管再次處于截止?fàn)顟B(tài)。直到壓電元件兩端電壓的絕對(duì)值再次大于二極管的導(dǎo)通壓降VDC時(shí)，能量提取電路則開始下一次能量提取過程。

傳統(tǒng)能量提取電路從壓電元件兩端提取到的功率受后端負(fù)載影響非常大，只有當(dāng)后端負(fù)載的等效阻抗達(dá)到最佳值時(shí)，傳統(tǒng)能量提取電路提取到的能量才能達(dá)到最大值[20]。然而,在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載阻抗大小往往并不能靈活地調(diào)整，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中傳統(tǒng)能量提取電路提取能量效率很低。

Huang H H等人[21]采用SEH 電路對(duì)以PVDF柔性薄膜為壓電元件制作的單懸臂梁式的壓電能量收集器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明:當(dāng)能量提取電路的濾波電容值為10μF，負(fù)載阻抗為10MΩ，懸臂梁振動(dòng)頻率與系統(tǒng)諧振頻率均為25Hz時(shí)，測得輸入到負(fù)載的最大功率為0.13μW,負(fù)載兩端的峰值電壓為1.8V。

2.2 降壓式DC-DC能量提取電路

雖然SEH能將壓電元件兩端產(chǎn)生的交流電變換為直流電，但變換后的電壓大小仍無法得到有效控制，并不能直接適應(yīng)為低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感器的供能。因此，為了獲得所期望的輸出電壓，在SEH的濾波蓄能電容器與負(fù)載之間加入DC-DC式的降壓變換電路，構(gòu)成降壓式DC-DC能量提取電路(DC-DCSDEH)[19],如圖5所示。

圖5 降壓式DC-DC能量提取電路原理

圖5中的DC-DC降壓電路在DCM模式下工作，主要作用為調(diào)節(jié)經(jīng)全波整流后電壓的大小，把整流后的高電壓小電流電信號(hào)經(jīng)過DC-DC降壓電路變換為低電壓大電流的電信號(hào)。

DC-DCSDEH主要工作原理是通過調(diào)節(jié)降壓式DC-DC電路的占空比和開關(guān)頻率，來確保濾波電容器Cr兩端的電壓穩(wěn)定在整流電路輸出電壓的最大值處。

Lesieutre G A等人[22]對(duì)DC-DCSDEH應(yīng)用在單懸臂梁式壓電能量收集器中作了深入了研究，實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)激勵(lì)源懸臂梁振動(dòng)頻率為53.8Hz，降壓式DC-DC電路的開關(guān)頻率約為1000Hz時(shí)，能量提取電路的最佳占空比約為2.8%；當(dāng)壓電元件在懸臂梁的激勵(lì)作用下輸出的電壓為48V時(shí)，使用DC-DCSDEH從壓電元件兩端提取到的能量是使用SEH提取到能量的3倍。

DC-DCSDEH最大的缺點(diǎn)是降壓式DC-DC電路的開關(guān)控制需要借助外接電路實(shí)現(xiàn)，而外接電路的供電往往需要使用化學(xué)電池，這與壓電式能量收集器節(jié)能環(huán)保的理念相悖。因此,如何在能量提取電路中引入開關(guān)控制電路，并用能量收集器自身收集到的能量為開關(guān)控制電路供電，成為了關(guān)注的重點(diǎn)。

2.3 同步電荷提取電路

為了改進(jìn)SEH從壓電元件兩端提取到的能量受后端負(fù)載阻抗的影響十分明顯的缺陷，Lefeuvre E等人[23]在SEH的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了同步電荷提取電路(SECE)，具體電路原理如圖6所示。

圖6 同步電荷提取電路原理

該電路實(shí)現(xiàn)的基本思想是通過開關(guān)S的閉合，周期性的將累積在壓電元件上的電荷傳遞到后端的蓄能電容器或負(fù)載上。SECE在工作時(shí)具有以下2個(gè)特點(diǎn):

1)SECE轉(zhuǎn)移壓電元件兩端產(chǎn)生的電能的時(shí)刻與外界激勵(lì)源的振動(dòng)周期同步。

2)壓電元件只有在極少部分時(shí)間內(nèi)處于與后端能量提取電路連通狀態(tài)，大部分時(shí)間內(nèi)保持開路狀態(tài)。

當(dāng)壓電元件振動(dòng)位移達(dá)到最大值時(shí)，此時(shí)壓電元件兩端產(chǎn)生的電壓也到達(dá)峰值，此時(shí)立即閉合開關(guān)S，壓電元件上積累的能量經(jīng)過全波整流橋后轉(zhuǎn)移到電感中；當(dāng)壓電元件上累積的能量全部輸入到電感上時(shí)，再將開關(guān)S斷開，等待下一個(gè)能量提取周期的到來。在開關(guān)S閉合時(shí)，電感和壓電元件內(nèi)部的鉗位電容器CP發(fā)生高頻LC振蕩，在經(jīng)過1/4個(gè)LC振蕩周期后，壓電元件上累積的電荷被全部轉(zhuǎn)移到電感上。在二極管的續(xù)流作用下，電感上存儲(chǔ)的能量被逐漸傳遞到儲(chǔ)能電容器Cr內(nèi)。

雖然SECE輸出的功率不受負(fù)載的影響，即對(duì)任何負(fù)載均具有相同的輸出功率。但是SECE對(duì)開關(guān)的閉合控制要求非常高。為了不影響后續(xù)時(shí)刻壓電元件上電荷的積累，開關(guān)S的閉合時(shí)間往往只有數(shù)毫秒甚至更少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓電元件的機(jī)械振動(dòng)周期。這也意味著電感的充電時(shí)間非常的短，因此，需要選擇合適的電感來確保壓電元件內(nèi)部的鉗位電容器CP與電感的振蕩周期足夠小。

Lefeuvre E等人[23]對(duì)SECE輸出的最大功率進(jìn)行了相關(guān)研究，研究表明:在同等條件下，與SEH的最大輸出功率相比，SECE的最大輸出功率是其4倍。

該能量提取電路的最大優(yōu)點(diǎn)是輸出功率與負(fù)載無關(guān)，不足是對(duì)開關(guān)的閉合控制要求很高，若不借助外界輔助控制電路，很難實(shí)現(xiàn)。

2.4 串聯(lián)同步開關(guān)電感電路

結(jié)合SEH與SECE能量提取電路，Lefeuvre E等人[23]提出了串聯(lián)同步開關(guān)電感能量提取電路(S-SSHI)。該電路的主要特色是在壓電元件與4個(gè)二級(jí)管構(gòu)成的整流橋之間串聯(lián)一個(gè)開關(guān)S以及一個(gè)電感器L，具體電路如圖7所示。

圖7 串聯(lián)同步開關(guān)電感能量提取電路原理

該電路中L和S的作用是實(shí)現(xiàn)壓電元件兩端輸出電壓極性的快速翻轉(zhuǎn)，既可以有效地增大壓電元件的開路輸出電壓，又能增加一個(gè)周期內(nèi)提取能量的時(shí)間。與SECE的工作過程類似，當(dāng)在外界振動(dòng)激勵(lì)源的作用下，壓電元件的位移達(dá)到峰值時(shí)，閉合開關(guān)S，壓電元件內(nèi)部的鉗位電容器CP與電感器L形成一個(gè)振蕩電路，經(jīng)過1/2個(gè)LC振動(dòng)周期后，壓電元件上能量完全被轉(zhuǎn)移到后端的儲(chǔ)能電容器Cr中，再立刻打開開關(guān)S。在開關(guān)S打開的極短時(shí)間內(nèi)，壓電元件兩端電壓的極性完成翻轉(zhuǎn)，一個(gè)能量提取周期完成。

2.5 并聯(lián)同步開關(guān)電感電路

與S-SSHI對(duì)應(yīng)的是并聯(lián)同步開關(guān)電感電路(P-SSHI)[24]，與S-SSHI不同的是，該能量提取電路是在壓電元件與整流橋之間并聯(lián)一個(gè)電感L與開關(guān)S，具體電路如圖8所示。

圖8 并聯(lián)同步開關(guān)電感電路原理

并聯(lián)同步開關(guān)電感能量提取電路的工作過程與S-SSHI基本一樣，不過兩者實(shí)現(xiàn)的功能完全不同。從能量收集的角度來說，壓電元件在外界振動(dòng)激勵(lì)源的驅(qū)動(dòng)下，致使其振動(dòng)方向發(fā)生改變，從而一方面導(dǎo)致壓電元件兩端輸出電壓發(fā)生改變，另一方面致使壓電元件阻尼作用的時(shí)間增加。在這兩方面的共同作用下，最終促使壓電元件輸入給后端負(fù)載的功率增加。

Lefeuvre等人[22,23,25～27]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)S-SSHI以及SHE,SECE,P-SSHI電路的能量提取效率作了較詳細(xì)的比較研究,發(fā)現(xiàn):在同等大小的力激勵(lì)作用下，電路最大輸出功率相等。在同等位移激勵(lì)作用下，S-SSHI/P-SSHI電路回收到的電能較SEH電路回收的電能高14倍，較SECE電路回收的能量高2倍左右。

雖然在相同條件下，S-SSHI/P-SSHI電路的最大輸出功率相等，但S-SSHI電路更適合應(yīng)用在負(fù)載阻抗較小的壓電式能量收集器中。

2.6 雙同步開關(guān)電感電路

為了實(shí)現(xiàn)能量提取電路既能保持高的能量提取效率，又能保證它的輸出功率不受后端負(fù)載影響，Lallart M等人[28]結(jié)合S-SSHI與SECE電路提出了一種新的能量提取電路，即雙同步開關(guān)電感電路(DSSH)，具體電路如圖9所示。

圖9 雙同步開關(guān)電感電路原理

該能量提取電路由兩部分組成，前面一部分由電感L1、開關(guān)S1、全波整流橋組成，可以看作是SECE電路；后面一部分由電容器Cr、開關(guān)S2、電感L2、續(xù)流二極管D 組成的一個(gè)Buck-Boost開關(guān)變壓電路。

可以結(jié)合SECE與S-SSHI電路的工作過程分析雙同步開關(guān)電感電路的工作過程。在外界振動(dòng)激勵(lì)源的作用下，壓電元件的振動(dòng)位移達(dá)到峰值時(shí)立刻閉合開關(guān)S1，此時(shí)壓電元件內(nèi)部鉗位電容器Cp與電感L1發(fā)生振蕩，經(jīng)過1/2個(gè)LC振蕩周期后，壓電元件上積累的電荷全部轉(zhuǎn)移到中間儲(chǔ)能電容器Cr內(nèi)。轉(zhuǎn)移完成后，立刻將開關(guān)S1斷開，再馬上將開關(guān)S2閉合，這時(shí)整流橋后面的Buck-Boost開關(guān)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀態(tài)，歷經(jīng)1/4個(gè)LC振蕩周期后，電容器Cr儲(chǔ)存的能量完全轉(zhuǎn)移到電感L2上。

Lallart M等人[28]通過研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)壓電元件的振動(dòng)位移幅值在2mm時(shí)，DSSH電路的平均輸出功率至少較SEH電路的平均輸出功率高4倍,較SECE電路高50%左右。同時(shí)，Buck-Boost開關(guān)電路的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%左右。

2.7 自供電的能量提取電路

前文所述的各種開關(guān)式的能量提取電路雖然能量回收效率較傳統(tǒng)能量提取電路有所提高，但實(shí)現(xiàn)都對(duì)開關(guān)閉合控制的要求非常高，往往需要借助外供電的DSP控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)電路的正常工作。但輔助電路自身的功耗也需要考慮，甚至有可能超過能量收集器從環(huán)境中回收的能量。為了解決這個(gè)問題，提出了利用能量收集器收集到的能量為開關(guān)控制輔助系統(tǒng)供電的能量提取電路，即自供電的能量提取電路。

Shi G等人[29]在SECE電路的基礎(chǔ)上，提出了一種自供電的同步電荷提取電路SP-OSEC。該電路使用兩個(gè)無源峰值檢測電路對(duì)壓電元件兩端電壓的極性進(jìn)行檢測和對(duì)壓電元件上累積的電荷進(jìn)行提取，具體電路如圖10所示。

圖10 自供電的同步電荷提取電路

電路由電容器C1、晶體管Q3，二極管D4,D5組成正峰值檢測電路，電容器C2,晶體管Q1，二極管D4,D5組成負(fù)峰值檢測電路，峰值檢測電路與前文提及的各種能量提取電路結(jié)構(gòu)中的整流橋電路元件復(fù)用。晶體管Q2,Q4實(shí)現(xiàn)開關(guān)S1,S2的功能。當(dāng)Q1,Q3截止時(shí)，下拉電阻器Rpd1,Rpd2用來確保晶體管Q2,Q4的基極接地。

該電路的工作過程可分為4個(gè)階段:

1)自然充電階段:在外界振動(dòng)激勵(lì)源的作用下，壓電元件發(fā)生位移，壓電元件的鉗位電容器Qp上開始積累電荷。當(dāng)Qp兩端電壓大于晶體管Q1的基射極導(dǎo)通電壓和二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)，電容器Cp上積累的電荷開始向電容器C1轉(zhuǎn)移。壓電元件的位移達(dá)到最大值時(shí)，Cp,C1兩端電壓也達(dá)到最大值，此時(shí),壓電元件沒有電流流出。

2)電流反相階段:隨著壓電元件的反向運(yùn)動(dòng)，Cp上電壓因反向充電而減小。在二極管D4,D5的反向截止作用下，C1上電壓不會(huì)減小而導(dǎo)致Cp與C1上出現(xiàn)電壓差。當(dāng)Cp與C1上的電壓差大于晶體管Q3基射極導(dǎo)通壓降時(shí)，Q3導(dǎo)通。

3)能量轉(zhuǎn)移階段:晶體管Q3導(dǎo)通后，晶體管Q4也隨之導(dǎo)通。此時(shí)電感L與Cp發(fā)生振蕩，經(jīng)1/4個(gè)LC諧振周期后，Cp上累積的電荷全部被轉(zhuǎn)移到電感L上。當(dāng)壓電元件上累積的電荷全部轉(zhuǎn)移到L上時(shí)，晶體管Q3,Q4截止。

4)電感續(xù)流階段:晶體管Q3,Q4截止后，在二極管的續(xù)流作用下，L上存儲(chǔ)的能量被轉(zhuǎn)移到Cr上，以便為后端負(fù)載供電。

Shi G等人[29]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該電路的能量回收效率進(jìn)行了研究，表明:電路的能量回收效率大于80%，最高可達(dá)到85.1%，SP-OSEC電路的輸出電壓最高達(dá)到30V。

3 對(duì)各種能量提取電路的分析

壓電元件的機(jī)電耦合系數(shù)、能量提取電路能輸出低電壓、能量提取效率是否受負(fù)載的影響、能量提取電路實(shí)現(xiàn)的難易程度、開關(guān)控制電路自供電等因素對(duì)能量提取電路的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值[30]。表1對(duì)前文提及的7種不同形式的能量提取電路進(jìn)行了對(duì)比分析。√表示對(duì)該種情況的適宜度友好;×表示對(duì)該種情況的適宜度不友好;-表示對(duì)該種情況的適宜度一般。

表1 能量提取電路的分類表

為了壓電式能量收集器能在實(shí)際中得到廣泛地應(yīng)用，能量提取電路的易實(shí)現(xiàn)性、與負(fù)載無關(guān)性是必須解決的問題。而設(shè)計(jì)出能自供電的能量提取電路對(duì)提高能量的回收效率有重要的意義，是目前各國關(guān)注及研究的重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

對(duì)壓電式能量收集器中的能量提取電路的當(dāng)下相關(guān)研究動(dòng)態(tài)和研究進(jìn)展作了較為合理的分類和詳細(xì)的闡述。并對(duì)當(dāng)前各種壓電能量提取電路的適用環(huán)境作了分析，總結(jié)出未來能量提取電路的研究趨勢及方向。可以看出:設(shè)計(jì)可自供電并且適于不同工作環(huán)境的能量提取電路，對(duì)壓電式能量收集器的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的作用。壓電式能量收集器作為一種長壽命、清潔無污染的能源，在可預(yù)見的將來有望成為化學(xué)電池的替代品，在微機(jī)電系統(tǒng)以及各種低功耗的無源傳感器中獲得廣泛應(yīng)用。

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