同步電感提取技術在壓電風能采集裝置中的應用

孫凱利 王海峰 郭修宇 崔宜梁 李蒙

摘要：雖然同步電感能量提取技術（SSHI）能夠顯著提高壓電能量采集裝置的采集效率，但需要額外的位移傳感器對壓電片的動作狀態進行檢測，在壓電片發生復雜形變時此方法不適用。為了提升俘能電路在非線性激勵下的工作效率，本文基于小旗式壓電風能采集裝置，設計了一種新型自供電、自感知式同步電感能量采集接口電路，該電路可以根據壓電片輸出的電壓判斷壓電片的形變量，實現同步電感開關的自動控制。同時，利用Multisim電路仿真軟件，對標準接口電路及新型接口電路進行仿真分析。仿真結果表明，新型接口電路能夠有效提高俘能電路在非線性激勵下的能量俘獲效率，與傳統俘能電路相比，新型俘能電路可以使輸出功率提升30%。該研究為非線性俘能電路的設計提供了理論依據。

關鍵詞：風致壓電發電; 同步電感提取技術; 接口電路

隨著微機電系統（microelectromechanical system，MEMS）技術的發展，各種微型傳感器與執行器不斷涌出，它們對供能的要求越來越嚴格。傳統的供電電池壽命短、易對環境造成污染，無法滿足其需求，而壓電能量收集技術，直接從環境振動中獲取能量，對環境無污染、壽命長、易于與微型傳感器等集成到一起。基于風致振動原理構成的風能收集裝置，將風能轉化為壓電裝置振動的機械能，最后轉化為電能，功率密度大、體積小，適合為微小型傳感系統供電[1-2]。經典的能量采集電路（standard energy harvesting，SEH）由二極管整流橋與濾波電容組成，結構簡單，無需外加控制電路，但電路本身能量轉化效率低，受負載影響較大[3];D.Guyomar等人[4]提出了同步電荷提取技術（synchronous charge extraction circuit，SCEC）接口電路，該電路能有效提高能量收集裝置的輸出功率，且輸出功率不隨負載的變化改變;M.Lallart等人[5]提出了并聯同步電感接口電路（parallelsynchronized switch harvesting on inductor，ParallelSSHI），進一步提升了能量收集裝置的輸出功率;G.W.Taylor等人[6-7]提出了串聯同步電感接口電路（seriessynchronized switch harvesting on inductor，SeriesSSHI），輸出功率隨負載變化，比并聯同步電感接口小，但其最優匹配阻抗比后者小兩個數量級;朱莉婭等人[8-12]改進了上述電路，引進無源峰值檢測技術，減少了開關控制電路的能耗。上述研究均在標準正弦激勵下進行，并未給出在不規則波形下的峰值檢測方法。因此，本文基于風致振動壓電發電時壓電片復雜的形變方式，以并聯同步電感提取技術為例，設計了一種自感知、自供電式的接口電路，并通過Multisim電路仿真軟件進行仿真分析，仿真結果表明，改進后的電路可以提升壓電俘能器在非線性激勵下的俘能效率，使原應用于線性激勵下的俘能電路可以在非線性激勵條件下進行良好工作。該研究對非線性俘能電路設計提出了新的思路。

1 風致壓電能量采集裝置及壓電電路等效模型

流體經過鈍體后會產生渦街現象，渦街推動壓電片往復擺動產生形變，從而產生電能。風致振動壓電片要求壓電材料柔性好，撓度大，可隨風擺動發生變形，且不易折斷，固選用聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電材料。該能量采集裝置的壓電片由三部分組成，分別為能量采集單元、控制信號發生單元及控制電路能量供給單元。三部分并行粘結在一起，分別引出獨立的電極。因三部分壓電片受到激勵時形變相同，因此可以通過電壓波形判斷壓電片的位姿，新型小旗型壓電能量采集裝置如圖1所示。壓電片的等效電路可以由一正弦電流源及等效電容并聯表示，壓電片等效原理圖如圖2所示，圖2中，I為等效電流源電流，Cr為等效電容，R為壓電片內阻，一般為幾十兆歐，甚至上百兆歐。

2 接口電路原理分析

經典接口電路由整流橋與濾波電容組成，經典能量收集接口示意圖如圖3所示，為保證整流后電壓為直流信號，應選擇濾波電容滿足RLCL遠大于電路電壓信號的振蕩周期。

并聯同步電感能量接口電路在經典電路的基礎上增加了一個可控開關與電感[13-16]。可控開關S在壓電片電壓U達到峰值時閉合，使壓電片等效電容Cr與電感L形成LC振蕩回路，并使壓電片輸出電壓在極短時間內快速翻轉，之后開關S斷開，以達到修繕波形的目的，修繕后的波形為U1。

PSSHI能量采集接口[17-20]如圖4所示，采用同步電感提取技術進行修繕，PSSHI修繕后的壓電片輸出波形如圖5所示?；陲L致壓電能量收集裝置的電路由三部分組成，即能量收集電路，控制信號發生電路，能量供給電路。電壓翻轉時，LC振蕩周期遠小于壓電片輸出電壓的周期，為防止在壓電片輸出電壓的半個周期內電壓多次反轉，能量收集電路的控制開關由2個金氧半場效晶體管（metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor，MOS）及2個二極管構成，以達到雙向單通的目的，這樣在半個電壓輸出周期內，電壓只能反轉1次。

從全局看，風致壓電能量收集裝置輸出波形近似于正弦波，只在局部有細小波動。同步電感的開關控制應以全局條件下的峰值作為判斷依據，若以局部峰值為基準，開關通斷過于頻繁，會消耗過多的能量，因此在電路仿真時，可以用全局等效正弦波代替原電壓信號。控制信號發生電路由施密特觸發器與反相器組成，由施密特觸發器的遲滯觸發作用可知，當電壓信號V達到施密特觸發器閾值電壓的正向閾值電壓V+時，其發出高電平信號，MOS管1導通;當電壓信號達到施密特觸發器負向閾值電壓V-時，發出低電平信號，經反相器反轉后，輸出高電平，使MOS管2導通。

能量供給電路由二極管整流橋與濾波電容Cr1組成，為施密特觸發器等有源器件提供所需能量。自感知和自供電式PSSHI電路示意圖如圖6所示。

3 仿真分析

實驗所選俘能為PVDF，壓電片長為170 mm，寬為5 mm，厚度為0.5 mm，等效電容為11 nF，等效電阻為200 MΩ，PVDF材料相關參數如表1所示。

在鈍體直徑為10 mm時，該壓電片在風速從0.1～10 m/s變化時產生的開路峰值電壓從幾伏增大到十幾伏，此次電路仿真選取的開路輸出電壓為15 V，頻率為5 Hz。在開路狀態下的新型能量提取電路，其壓電片輸出電壓隨時間變化曲線如圖7所示;對于標準電路與新型能量提取電路，其輸出電壓隨負載變化曲線如圖8所示，輸出功率隨負載變化曲線如圖9所示。

由圖7～圖9可已看出，采用PSSHI電路后，壓電能量采集裝置的輸出電壓比經典接口電路高1倍左右，最大輸出功率提高30%，但最優匹配阻抗有所增加。

4 結束語

傳統俘能電路只能應用于線性激勵作用下的俘能器，對非線性電能的俘能效果較低，本文基于風致壓電能量收集裝置，提出了一種自感知、自供電式的并聯同步電感提取電路控制策略，對非標準簡諧信號也有較高的能量收集功率。該控制策略以壓電片輸出電壓全局下的峰值作為檢測對象，控制同步電感開關的通斷，與經典接口相比，負載上的電壓提升約1倍，最大輸出功率提升30%，有效提升了非線性能量收集器的俘能效率。另外，電路中的元器件多為無源器件，能夠最大程度減少俘能電路本身的損耗，這種利用壓電片自身輸出電壓作為檢測信號的俘能電路設計，為非線性能量收集電路設計提供了新的思路。

參考文獻：

[1] Sun D M， Xu Y， Chen H J， et al. A mean flow acoustic engine capable of wind energy harvesting[J]. Energy Conversion & Management， 2012， 63： 101-105.

[2] Fan K Q， Ming Z F， Xu C H， et al. The dynamic characteristics of harvesting energy from mechanical vibration via piezoelectric conversion[J]. Chinese Physics B， 2013， 22（10）： 104502.

[3] 唐煒， 黃伯達， 曹景軍， 等. 一種自感知型電感同步開關能量采集電路[J]. 傳感技術學報， 2014， 27（11）： 1469-1476.

[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 & Frequency Control， 2005， 52（4）： 584-95.

[5] Lallrt M， Guyomar D. An optimized selfpowered switching circuit for nonlinear energy harvesting with low voltage output[J]. Smart Materials and Structures， 2008， 17（3）： 035030.

[6] Taylor G W， Burns J R， Kammann S A， et al. The energy harvesting eel： a small subsurface ocean/river power generator[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2001， 26（4）： 539-547.

[7] Lefeuvre E， Richard C. Highperformance piezoelectric vibration energy reclamation[J]. Proceedings of SPIEThe International Society for Optical Engineering， 2004， 5390： 379-387.

[8] 朱莉婭， 鄭梅， 陳仁文. 一種無源同步開關壓電能量收集電路研究[J]. 電子元件與材料， 2016， 35（4）： 70-75.

[9] 張蘊馨. 壓電非線性俘能電路及其在道路狀態監測中的應用[D]. 北京： 北京交通大學， 2016.

[10] 束軍， 楊沛， 雷金輝. 基于SECE振動能量收集模塊的設計與實現[J]. 信息技術， 2017（6）： 177-180.

[11] 屈鳳霞， 夏銀水， 施閣， 等. 自供電的同步電荷提取電路的優化設計[J]. 傳感技術學報， 2016， 29（3）： 349-355.

[12] 王志東. 基于MEMS振動能量采集器的微電源設計與性能優化[D]. 濟南： 山東大學， 2017.

[13] 張寶強， 王宏濤， 孟瑩梅. DICH壓電能量回收接口電路設計[J]. 壓電與聲光， 2015， 37（2）： 349-353.

[14] 武麗森， 劉海鵬， 張廣義， 等. 非線性壓電-電磁復合式俘能器的結構設計[J]. 壓電與聲光， 2016， 38（4）： 570-574.

[15] 陳曉林， 劉紅俊. 基于壓電效應的路面振動能量收集技術[J]. 機械設計與研究， 2017， 33（1）： 190-193.

[16] Lu S H， Boussaid F. A highly efficient PSSHI rectifier for piezoelectric energy harvesting[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（10）： 5364-5369.

[17] Lien I C， Shu Y C， Wu W J， et al. Revisit of seriesSSHI with comparisons to other interfacing circuits in piezoelectric energy harvesting[J]. Smart Material and Structures， 2010， 19（12）： 125009.

[18] Eltamaly A， Addoweesh K. A novel self power SSHI circuit for piezoelectric energy harvester[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2017， 32/10： 7663-7673.

[19] Wu L， Do X D， Lee S G， et al. A selfpowered and optimal SSHI circuit integrated with an active rectifier for piezoelectric energy harvesting[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I： Regular Papers， 2017， 64（3）： 537-549.

[20] Yang Z B， Qin Z Y， Zu J. Charging capacitors using single crystal PMNPT and PZNPT energy harvesters coupled with the SSHI circuit[J]. Sensors & Actuators A： Physical， 2017， 266： 76-84.