多方向壓電振動能量收集技術研究與進展

張旭輝，譚厚志，楊文娟，左 萌，樊紅衛

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安710054；2. 陜西省礦山機電裝備智能監測重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著微電子技術的飛速發展，傳感器技術已在環境監測[1-2]、航空[3-4]、汽車[5-6]、物聯網[7-8]等領域得到了廣泛的應用。目前，大多數傳感器以電池供電為主，而傳統化學電池存在使用壽命有限，體積大，更換難，性能受環境影響嚴重等問題，故而尋找其替代品至關重要。自然環境中存在著太陽能、熱能、振動能等多種能量形式，太陽能、熱能等由于對自然環境的依賴性較大，在某些場合無法使用，振動能由于普遍存在且能量密度高而具有極大的優越性。根據能量轉換的機理不同，振動能量收集方式主要有靜電式[9-11]、電磁式[12-15]和壓電式[16-30]3大類。與其他兩種振動能量收集方式相比，壓電式能量收集具有供能充足，受環境影響小，無污染和易于實現小型化和集成化等優點，并因能滿足低能耗產品的電能需求而成為目前研究的熱點之一[31]。

研究表明，當外界振動頻率與壓電俘能器諧振頻率相匹配時，俘能效率最高。但實際應用時不同場合的振動方向和頻率往往不同，且同一場合振動頻率和方向也時有變化，這將嚴重影響壓電俘能器的俘能效率。故使壓電俘能器對多個方向上的振動能量進行收集是提高其俘能效率的一種重要途徑。

1 多方向壓電振動能量收集裝置現狀

壓電振動能量收集技術的研究最早始于2000年左右，國內外很多高校和研究機構都在此方面取得了相應進展。依據壓電振動能量收集裝置的能量轉換原理不同，可將其主要分為擊打式和懸臂梁式。

1.1 擊打式多方向壓電振動能量收集裝置

擊打式壓電振動能量收集裝置的壓電材料為壓電陶瓷。壓電陶瓷的特點是[32-33]：壓電性強，介電常數高，便于成型加工；但機械品質因數較低，電損耗較大，穩定性較差。Lee等[34]的研究表明，壓電陶瓷在高頻周期載荷下工作時會產生疲勞裂紋，甚至發生斷裂，這也是壓電陶瓷使用過程中的一大缺陷。擊打式壓電振動能量收集裝置的工作原理是利用了d33模式[35]，作用力方向與極化方向相同，通過質量塊撞擊壓電振子使其產生變形，從而實現對振動能量的收集。擊打式壓電振動能量收集裝置發電時間短，但能產生較高的電壓，且其機電耦合系數較高。

Davide Alghisi等[36]提出了一種三軸球可變自由度的擊打式壓電振動能量收集裝置，該裝置振動時通過內部球體擊打相應方向的壓電陶瓷片產生電能，可對多個方向的振動能量進行收集，圖1為該能量收集裝置的示意圖。實驗結果表明，該裝置適用于低頻環境中，且工作頻帶較寬。當裝置外加電阻為10 kΩ時，每個發電薄片在1.8g(g=9.8 m/s2)平均加速度白噪聲激勵下可實現4 μW的功率轉換。通過給該裝置的輸出進行整流，人以4 km/h的速度行走1 min可給470 mF的電容輸送1 mJ的能量。

圖1 三軸球壓電能量收集裝置示意圖

張旭輝等[37-38]提出了一種全方向振動能量收集器及其改進裝置，該裝置利用擊錘擊打壓電陶瓷產生電能，如圖2所示。圖2(a)中裝置諧振頻率與外界振動頻率匹配時輸出電壓高達28 V，且能對多個方向上的振動能量進行收集。圖2(b)為其改進后的全方向振動能量收集裝置，改進后的裝置各個俘能模塊之間相互獨立,可更換且系統阻尼較小。實驗研究表明，該改進裝置(見圖2(b))由于能夠轉換方向，從而使其有效俘能帶寬較改進前(見圖2(a))有明顯增加，且其輸出電壓峰值較改進前提高約11倍，最大輸出功率可達到28.75 μW。但由于其壓電材料為壓電陶瓷，長時間在大振幅，高頻率作用下易碎，故其更適合在低頻、小振幅的環境下工作。

圖2 全方向擊打式能量收集裝置及其改進裝置

1.2 懸臂梁式多方向壓電振動能量收集裝置

懸臂梁式壓電振動能量收集裝置的壓電材料多為壓電薄膜材料和壓電陶瓷，其中壓電薄膜材料的典型代表是聚偏氟乙烯(PVDF)，PVDF的壓電特性首次由Heiji Kawai于1969年提出，其材質柔韌，阻抗低，壓電電壓常數高，響應頻帶寬且抗腐蝕，因能加工成大面積的膜而非常適合于壓電式振動能量收集應用。但其壓電應變常數較低，導致能量轉換效率偏低[32,39]。壓電陶瓷較壓電薄膜材料能量轉換效率高，但其材質柔韌性相對較差，長時間在交變應力作用下易產生疲勞裂紋。懸臂梁式壓電振動能量收集裝置的工作原理主要運用d31模式[35]，作用力方向與極化方向垂直，當能量收集裝置受到外界振動的激勵時，由于正壓電效應的作用，就會在壓電材料表面輸出電能。

針對懸臂梁式多方向壓電振動能量收集裝置，國內外一些專家學者也對其進行了深入的研究。國外，Su W J等[40]于2013年提出了一種磁力耦合的多方向振動能量收集裝置，如圖3所示。該裝置由1個彈簧-質量塊系統，2個主懸臂梁和1個輔助懸臂梁3部分組成，3個組成部分之間通過磁力耦合作用構成1個非線性系統，可以收集3個方向的振動能量。其中，裝置沿豎直方向振動時可輸出電壓幅值為10.2 V，且可收集較寬頻帶范圍內的振動能量，但是裝置由于引入多個磁鐵而使系統較復雜，對其建模分析存在一定困難。

圖3 一種磁力耦合的多方向能量收集裝置示意圖

意大利卡塔尼亞大學的Andò B等[41]研究了一對磁力耦合的雙穩態非線性壓電能量收集裝置，如圖4所示。該裝置的工作頻帶較寬且能夠收集y、z兩個方向上的振動能量，能量收集效率較高，在實驗中可實現5.6 μW的功率輸出。

圖4 磁力耦合雙穩態非線性壓電能量收集結構

陳仁文等[42]提出了一種立方體-質量塊結構的全方向振動能量收集裝置，如圖5所示。該裝置的拾能單元為Rainbow型，實驗表明該裝置可以對環境中多個方向上的振動能量進行收集，從而提高了機械能向電能的轉換效率。但是當振動方向處于裝置對角線方向時，能量收集效率較低。

圖5 立方體-質量塊結構能量收集裝置

陳仁文等[43]還提出了另一種蒲公英狀的全方向能量收集裝置，如圖6所示。該裝置由一個多面體支撐塊，多個懸臂梁結構和基座組成，其中多個懸臂梁按不同的方位均勻安裝在支撐塊上。當其隨外界產生受迫振動時，總有相應方向的懸臂梁會產生彎曲，從而利用應變片的正壓電效應進行能量轉換，實現全方向的振動能量收集。另外，該能量收集裝置為復合懸臂梁結構，若懸臂梁的共振頻率不同，則在某一方向下，該裝置能進行寬頻帶的振動能量收集。

圖6 蒲公英狀能量收集裝置

總之，多方向壓電振動能量收集裝置相對于單方向裝置由于能量收集方向增多而使其俘能效率提高，但外界振動環境往往多變，而振動頻率等因素的改變會使裝置的能量收集效率降低，故而需要進一步研究多方向壓電振動能量收集裝置的俘能效率提升方法。

2 多方向壓電振動能量收集效率提升方法

針對目前多方向壓電振動能量收集裝置發電能力提升問題，國內外相關學者都對此進行了深入的研究，并取得了較大進展。主要是通過陣列式[44-45]、自調諧[46-47]、非線性[48-50]等方法拓寬振動能量收集裝置的俘能帶寬；通過轉升頻[51-52]來增加振動能量收集裝置單位時間內的響應次數；通過自動參數諧振技術[53-54]來放大基礎激勵等。

2.1 陣列式

陣列式能量收集是在振動能量收集裝置上安裝多個壓電俘能單元，且每個俘能單元的諧振頻率不同，裝置隨外界環境發生振動時，必有相應的壓電振子能夠對外界振動進行有效收集，從而拓寬整個壓電振動能量收集裝置的俘能帶寬。圖7為Tanjn Yildirim等[44]提出的一種三自由度的陣列式振動能量收集裝置。圖中4個懸臂梁壓電振子的懸臂梁寬度、質量塊質量均不同，故其諧振頻率均不相同，該振動能量收集裝置通過多個壓電振子俘能帶寬疊加實現拓頻的功能。實驗結果顯示，當4個懸臂梁耦合陣列配置時，在1.5g(g=9.8m/s2)的激勵下，其模態響應會出現8個共振峰，可拓寬頻帶為5～12.5 Hz。另外，溫志渝等[45]研究指出，若陣列式振動能量收集裝置各壓電俘能單元屬性相同且使用同一個頂端質量塊(見圖8)，則各個壓電俘能單元串聯可提高能量收集裝置輸出電壓。實驗數據表明，多個壓電振子串聯后的開路輸出電壓約為并聯的4.5倍。

圖7 一種三自由度陣列式振動能量收集裝置

圖8 MEMS壓電陣列振動能量收集裝置

2.2 自調諧

自調諧振動能量收集通過能量收集裝置在振動過程中自發調節結構，改變裝置諧振頻率使其與外界振動頻率相匹配，實現共振，從而提高能量收集效率。國外，Jo S E等[55]在2012年提出了一種利用懸臂梁自身的水平滑動來實現裝置自身頻率調節的結構，如圖9所示。實驗表明，在振動過程中，該裝置其懸臂梁能夠以凸臺為中心滑動，且能在幾秒鐘之內實現外界振動頻率與裝置諧振頻率相一致，實現自調諧。張旭輝等[56]于2015年提出了一種自調諧全方向振動能量收集裝置，如圖10所示。當能量收集裝置隨外界產生受迫振動時，組合懸臂梁可根據外界振動方向自動調節方向，以達到與外界環境振動方向相適應，實現能量的有效收集與轉換。另外，通過改變上、下永磁體的間距可調節系統的諧振頻率，以接近外界環境振動頻率，提高能量轉換效率，適用范圍較廣。

圖9 滑塊懸臂梁自調諧結構示意圖

圖10 自調諧全方向振動能量收集裝置

2.3 非線性

大量研究表明，線性的能量收集裝置只有在外界振動源發生共振時才能輸出最大的電能，但外部振動環境多變，這使線性振動能量收集裝置的俘能效率降低。為此，國內外專家學者從線性振動能量收集裝置的研究轉到非線性收集裝置的研究。意大利佩魯賈大學NiPS實驗室在國際上較早提出了“非線性振動能量俘獲”思想。并對非線性拓寬振動能量收集裝置的俘能帶寬做了理論研究。在構建非線性壓電俘能器方面，概括起來大致分為兩類[57-58]：

1) 引入非線性磁力。

2) 引入彎曲壓電梁。

2015年，藍春波等[59]提出了一種帶對稱碰撞磁斥力雙穩態壓電振動能量收集裝置，如圖11所示。裝置中的碰撞彈簧可以將壓電振子的單勢阱運動轉變為雙勢阱大幅值運動，不僅增大了壓電振子的振動幅值且拓寬了俘能頻帶，提高了其俘能效率。Yang等[60]使用弧形壓電貼片作為能量收集裝置中的核心轉換元件,以改善其性能，如圖12所示。實驗表明，弧形壓電俘能單元能夠產生等同于平板式壓電俘能單元2.55～4.25倍的能量。

圖11 帶對稱碰撞磁斥力雙穩態振動能量收集裝置

圖12 弧形壓電貼片能量收集裝置

張旭輝等[61]于2017年提出了一種新型組合梁式雙穩態壓電振動能量收集裝置，如圖13所示。該裝置可通過調節磁鐵的間距使其動態響應呈現大幅值、寬頻帶運動，且由于組合懸臂梁的引入，使其能夠收集多個方向上的振動能量，具有結構非線性，適用范圍廣。

圖13 新型組合梁式雙穩態壓電振動能量收集裝置

2.4 頻率泵浦

頻率泵浦是提高振動能量收集效率的方法之一，能夠使裝置在相同時間內產生更多的振動，以此來提高能量收集效率，一種簡單的方法是利用彈簧來實現輸入信號振動頻率的放大。因此，有關專家學者利用慣性質量的低頻運動激發壓電振子的高頻諧振原理，制成了各種振動能量收集裝置。Huicong Liu等[62]提出了一種利用懸臂式止動器的壓電式能量收集裝置，如圖14所示。該裝置由低固有頻率的激勵振蕩器和高固有頻率的轉升頻止動器組成。當激勵振蕩器振動幅值超出一定范圍而激勵轉升頻止動器時，轉升頻止動器將以更高的振動頻率振動，從而實現單位時間內振動頻率的提升，提高裝置輸出。

圖14 懸臂式止動器壓電能量收集裝置

王晨等[63]提出了一種上變頻的寬頻帶穩頻能量收集器，如圖15所示。圖中，壓電材料粘貼在發電懸臂梁上。在懸臂梁的撓度極限范圍內，懸臂兩側各放置兩個柔性止動器。裝置基體上安裝具有磁吸力的永磁體。當柔性擋塊撞擊懸臂梁時，其振動首先在其耦合振動頻率下激勵，然后以其自身較高的諧振頻率激勵，增加單位時間內的響應次數。且磁吸力可將懸臂梁的阱間運動擴展到更低的頻帶，降低阱間勢壘，從而提高裝置的俘能效率。數據表明，此方法可將能量收集裝置的俘能效率顯著提高35倍。

圖15 上變頻的寬頻帶穩頻能量收集器示意圖和實物圖

2.5 彈性放大器

彈性放大器是在振動能量收集裝置與基礎激勵之間引入線性放大器，通過線性放大器將基礎激勵幅值放大后，為振動能量收集裝置提供更大的激勵幅值，同時也會使線性振動能量收集裝置更快進入諧振狀態或使非線性振動能量收集裝置更快進入高能狀態，從而提高振動能量收集裝置的俘能效率。21世紀20年代初，國內外專家學者已對自動參數諧振技術做了研究，并證實能夠提高振動能量收集裝置的俘能效率[64-66]。

近年來，王光慶等[53]提出了一種帶彈性放大器的雙穩態壓電能量收集裝置，如圖16所示。該裝置借助壓電能量采集器與基礎激勵之間的線性放大器，實現基礎激勵的放大。實驗證明，通過選用合理的彈簧參數，可使帶線性放大器的能量采集器輕松進入高能狀態，另外增加能量采集器和線性放大器的質量比和剛度比可拓寬能量收集頻帶，有效地緩解能量采集裝置在低激勵幅值下俘能效率不高的現狀。

圖16 帶彈性放大器的雙穩態壓電能量收集裝置

Yu Jia等[54]提出了一種帶放大作用的自動參數諧振器，如圖17所示。該能量收集裝置的放大器采用軟鋼片作為諧振器的彈簧，可通過調整基部夾具的定位來改變軟鋼片的有效長度,從而實現放大器剛度的調節。實驗表明，該自動參數諧振器相比單懸臂梁可更早進入諧振狀態，且具有更高的功率輸出。

圖17 帶放大作用的自動參數諧振器實物圖

3 多方向壓電振動能量收集面臨的難題

綜合國內外研究的現狀，多方向壓電振動能量收集技術的研究主要面臨以下幾個方面的難題。

3.1 智能結構的設計

振動能量收集裝置智能結構的設計有利于收集多個方向上的振動能量，且可拓寬能量收集頻帶，從而更好地適應外界振動環境，提高能量收集效率。雖然到目前為止，許多專家學者陸續提出了不同的裝置結構，但大多數的振動能量收集裝置只對單一方向上的振動敏感，且收集頻帶較窄，而實際外界振動環境往往表現為低頻、寬頻帶且具有隨機性，因此如何進行多方向能量收集以及將外界振動特性與振動能量收集機構有機結合起來，是提高寬帶低頻環境振動能量俘獲效率迫切需要解決的一個核心應用基礎理論問題。

3.2 復雜系統建模與動力學特性研究

一個完整的振動能量收集裝置常存在力場、磁場、重力場及電場等多場之間的耦合關系。就力-磁-電耦合而言，通過調節磁鐵間距來改變磁場強弱，以此改變振動能量收集裝置的受力振動狀態，加之外界復雜多變的振動環境，該多場耦合非線性系統將會相當復雜；而對于振動能量收集裝置本身，存在結構非線性、壓電材料非線性等；對于耦合場而言，存在磁場、電路及溫度場等非線性，均對復雜系統建模與分析帶來一定困難。

3.3 微能量收集電路設計

振動能量收集裝置轉換的電能為交流電，往往需要經過能量收集電路進行整流、穩壓后才能為負載供電。另外，壓電材料阻抗極高，輸出電流和功率較小，如何設計能量收集效率高，且能與能量收集裝置實現阻抗匹配的微能量收集電路，進行機械能到電能的有效轉換與利用，是目前壓電振動能量收集面臨的主要難題之一。

4 多方向振動能量收集發展趨勢

關于振動能量收集技術的研究，雖然國內外專家學者已取得了一定進展，但目前仍然存在一些問題需要逐步解決完善。

4.1 采用新型壓電材料提升俘能效率

壓電振動能量收集是利用壓電材料的正壓電效應將機械能轉換成電能，因此，壓電材料的性能將直接影響能量收集裝置的能量轉換效率。到目前為止，壓電材料主要有壓電單晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電纖維復合材料等，對于壓電材料的研究仍處在初步階段，而新型壓電材料的研究與使用對能量收集裝置俘能效率的提升至關重要，故本領域將會是今后壓電振動能量收集技術重點研究的內容之一。

4.2 考慮非線性和多場耦合因素的系統動力學研究優化能量收集結構

通過設計振動能量收集裝置智能結構及采用新型壓電材料，可提高俘能裝置對于外界低振幅、寬頻帶環境振動的收集效率，但裝置動力學建模與解算對其響應分析至關重要。目前多數專家學者對振動能量收集裝置動力學建模均采用簡化的集中參數模型，在建模過程中多數未考慮電路對機械結構部分產生的影響，有的缺少對機械阻尼作用的分析等。另外，全方向振動能量收集裝置結構復雜，壓電材料、振源頻率、加速度、機械阻尼系數及能量收集電路效率等因素都會影響俘能器的性能。因此，建立更精確的振動能量收集裝置動力學模型，可以更準確地分析裝置的響應特性，對裝置的優化具有極其重要的意義。

4.3 振動能量收集系統工程應用研究

對于壓電振動能量收集技術的研究，包括壓電振動能量收集理論研究、微能量儲存技術研究和能量應用研究。隨著微電子技術的不斷發展，在一些特殊的場合已實現壓電俘能技術的應用，如高樓振動監測、可穿戴式微器件供電、無線傳感器微能源供給等，但其在某些復雜惡劣環境下的微能源供給(如煤礦井下綜采設備無線監測傳感器供電)尚未實現，仍需進一步研究，因此，壓電振動能量收集技術應用研究將成為本領域研究的熱點內容之一。

5 結束語

本文研究了多方向壓電振動能量收集設計及優化問題，針對如煤礦井下復雜環境下微電子低能耗設備供電問題，由于實際應用中外部環境的振動往往存在方向不確定和頻率離散性，因此，要實現對外部環境中振動能量的有效收集，對振動能量收集裝置效率提升方法的研究至關重要。目前，國內外針對多方向壓電振動能量收集裝置的研究已取得了一些進展，本文分析了近年來國內外專家的研究成果，總結了提升多方向壓電振動能量收集裝置效率的有效方法及其面臨的難題，對多方向壓電振動能量收集的研究具有一定的借鑒意義。