悬臂梁压电俘能器理论模型及电能存储电路的研究

摘要

过去几年里，微电子、无线传感网络和MEMS等低功耗产品得到了大力发展，它们主要的供能方式是化学电池，但是化学电池存在着诸多弊端，如电池寿命有限，需要定时更换。环境中存在着多种低频机械振动能，如果能从周围环境中收集能量，实现自供能，将能解决能源不足的问题。压电俘能器因具有较高的功率密度和机电耦合系数，无需外界电源，不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现结构的小型化、集成化等优点，且能满足此类低功耗产品的供能需求而成为研究热点。
　　 本文首先分析了悬臂梁压电发电机发电的理论模型，然后设计了单层悬臂梁压电-不锈钢片复合结构的压电发电机，并进行了相关实验研究，最后研究了功率调节电路和储能电路。主要研究内容和结果包括：
　　 1.介绍了压电发电的基本原理，即正逆压电效应，压电材料的两种工作模式，建立了压电发电机的等效电路模型，引入其通用的转换模型，推导出了等效电路模型中的各项参数。
　　 2.设计了悬臂梁压电俘能器的机械结构，进行了实验装置的制作，以及实验平台的建立，体积为35mm×7mm×0.4mm试件，共振频率为33.7Hz，在加速度为5m/s2的2N的外力作用下，产生的开路电压幅值达到22.6V。
　　 3.设计了电压调整和电能存储电路，进行了输出功率的优化分析、电能储存的分析，实验表明，试件在共振状态下，输出电能经过整流后，当负载为400KΩ时，输出功率达到最大值226.13μW，直接给超级电容充电实验，平均充电功率为27.45μw；利用buck-boost电路，调节MOSFET的驱动信号的占空比，当占空比为1.53％时，可以实现最佳功率匹配。