壓電振動(dòng)能量收集裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉祥建，陳仁文

(南京航空航天大學(xué) 智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

壓電振動(dòng)能量收集裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉祥建，陳仁文

(南京航空航天大學(xué) 智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

隨著無(wú)線技術(shù)及微機(jī)電技術(shù)的日益發(fā)展，以化學(xué)電池為主的供能方式的弊端日漸顯露，壓電振動(dòng)能量收集裝置以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔環(huán)保及易于微型化等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了極大重視。從振動(dòng)能量收集常用的壓電材料及其壓電性入手，從壓電振動(dòng)能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能量收集電路設(shè)計(jì)兩方面對(duì)其進(jìn)行闡述。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，以壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的方向性和響應(yīng)頻帶為主線，詳細(xì)介紹國(guó)內(nèi)外研究者在壓電振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的變化與創(chuàng)新;在能量收集電路設(shè)計(jì)方面，以能量收集效率的提高為主線，介紹了電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。最后，總結(jié)了壓電振動(dòng)能量收集裝置未來(lái)的研究趨勢(shì)和方向，為從事壓電振動(dòng)能量收集研究的人員提供參考。

壓電振動(dòng)能量收集;寬頻帶;多方向;能量收集電路

隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，小尺寸、低能耗的微電子設(shè)備的研發(fā)取得了巨大進(jìn)展。而與之相關(guān)的微型能源技術(shù)的發(fā)展卻相對(duì)滯后，同時(shí)由于化學(xué)電池尺寸大、壽命有限和需要更換等缺點(diǎn)［1］，在一些微電子產(chǎn)品中的應(yīng)用受到了限制，尤其對(duì)于目前發(fā)展迅速的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)，這種缺陷將表現(xiàn)得更加明顯。盡管人們運(yùn)用微機(jī)電系統(tǒng)工藝研制了相應(yīng)的微能源器件，比如微太陽(yáng)能電池、微鋰電池及燃料電池等，微太陽(yáng)能電池雖然可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期供能，但其受天氣、應(yīng)用場(chǎng)合所限制，而鋰電池及燃料電池能量密度較低、壽命有限，因此，如何實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)器件長(zhǎng)時(shí)間的供能已成為人們亟待解決的問(wèn)題。振動(dòng)作為自然界常見(jiàn)的現(xiàn)象，由于其幾乎無(wú)處不在且具有較高的能量密度［2］，因此對(duì)振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)化及其收集利用的研究在近幾十年逐步興起。

目前，用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量收集的裝置種類(lèi)是繁多的，有電磁式收集裝置［3－4］、靜電式收集裝置［5］及壓電式收集裝置［6－19］等，其中以壓電式收集裝置的研究為最多。因?yàn)榕c其它能量收集裝置相比，壓電式裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾、清潔環(huán)保和易于微型化等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著對(duì)基于壓電材料的振動(dòng)能量收集裝置研究的廣泛展開(kāi)，出現(xiàn)了各種各樣的壓電發(fā)電裝置，如懸臂梁?jiǎn)尉?雙晶結(jié)構(gòu)、Cymbal結(jié)構(gòu)、疊堆形結(jié)構(gòu)等。

本文介紹目前振動(dòng)能量收集常用的壓電材料，并給出了其壓電性的產(chǎn)生機(jī)理。以壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的方向性和響應(yīng)帶寬為主線，詳細(xì)報(bào)道近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外在壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)方面的研究動(dòng)態(tài)，給出了其研究趨勢(shì)的幾點(diǎn)思考，為從事壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)的研究者提供參考。

1 振動(dòng)能量收集常用的壓電材料及其壓電性

1.1 壓電陶瓷材料

壓電陶瓷經(jīng)過(guò)幾十年的研究，取得了重大進(jìn)展，已成為國(guó)內(nèi)外最重要的功能材料之一。壓電陶瓷的特點(diǎn)是：壓電常數(shù)大，靈敏度高;制造工藝成熟，可通過(guò)合理配方和摻雜等人工控制來(lái)達(dá)到所要求的性能;成形工藝性也好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷材料中最常用的為鋯鈦酸鉛，又稱(chēng)為PZT。雖然PZT型的壓電陶瓷材料應(yīng)用最為廣泛，但PZT壓電陶瓷較脆，在使用過(guò)程中易碎，使得PZT壓電陶瓷片在振動(dòng)能量收集中不能承受較大的應(yīng)變。Lee等［20］研究表明，在高頻周期載荷作用下，壓電陶瓷極易產(chǎn)生疲勞裂紋，發(fā)生脆性斷裂，這也是壓電陶瓷材料在使用中的一大缺陷。

壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體，它由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列，使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。為了使之具有壓電性，必須進(jìn)行極化處理，即在一定溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使“電疇”趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列。極化電場(chǎng)去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。

1.2 壓電薄膜材料

壓電薄膜材料是一種高分子聚合物。聚合物壓電性的研究始于生物物質(zhì)，如木材、羊毛和骨頭等，后來(lái)擴(kuò)大到合成高聚物，但由于壓電性不高，均無(wú)實(shí)用意義。1969年日本的 Kawai報(bào)道了聚偏二氟乙烯(PVDF)在高溫高電壓下極化后可產(chǎn)生有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的壓電性，使壓電聚合物的研究發(fā)生了歷史性的轉(zhuǎn)折。壓電聚合物的典型代表就是PVDF，PVDF壓電薄膜具有柔性好、機(jī)械強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配、頻響范圍寬、能抗化學(xué)和油性腐蝕等優(yōu)良特性，且可加工成大面積和復(fù)雜形狀的膜使用，為壓電材料的應(yīng)用開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

PVDF壓電性［21］的起源一直是一個(gè)爭(zhēng)議的話題，PVDF是半結(jié)晶性聚合物，片晶鑲嵌在非晶相中，且兩者具有不同的介電性和彈性。一般認(rèn)為，PVDF的壓電性可歸因于以下兩個(gè)機(jī)理：① 尺寸效應(yīng)。即假定偶極子為剛性，不隨外加應(yīng)力變化時(shí)，由膜厚變化所引起的壓電性，膜厚度的減小會(huì)使膜表面的誘導(dǎo)電荷增加;②結(jié)晶相的本征壓電性。結(jié)晶相的壓電性由電致伸縮效應(yīng)及剩余極化所決定，晶區(qū)的極化強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變具有依賴(lài)性，使晶區(qū)產(chǎn)生內(nèi)部壓電性。

2 壓電振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)

2.1 單方向、單諧振頻率壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)

2.1.1 單懸臂梁結(jié)構(gòu)

在目前提出的眾多的壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)中，單懸臂梁結(jié)構(gòu)［22－27］發(fā)展最為成熟，無(wú)論是在理論研究還是在實(shí)驗(yàn)研究方面，目前已經(jīng)積累了大量可供參考的成果。這主要依賴(lài)于單懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電裝置其結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。通常，單懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電裝置固有頻率較高，而環(huán)境振源的頻率一般較低，因此，為了降低單懸臂梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率，通常在懸臂梁末端加裝一金屬質(zhì)量塊，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單懸臂梁典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of piezoelectric cantilever

矩形單懸臂梁結(jié)構(gòu)是目前壓電振動(dòng)能量收集中常用的結(jié)構(gòu)形式，主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于加工制作。同時(shí)很多研究者對(duì)其它形狀的單懸臂梁結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了相關(guān)研究，以期望能夠獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。Mateu等［28］對(duì)矩形和三角形的單懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究，在懸臂梁固定端寬度和三角形懸臂梁厚度與矩形懸臂梁厚度相等的情況下，在受到相同的載荷作用時(shí)，三角形單懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變更大，產(chǎn)生的電能更多。因此，得到三角形單懸臂梁?jiǎn)挝惑w積收集的能量比矩形單懸臂梁要多。在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的謝濤等［29］對(duì)矩形、梯形和三角形的單懸臂梁進(jìn)行了研究，研究表明，在相同的外部激勵(lì)下，三角形單懸臂梁收集的能量最多，梯形單懸臂梁次之，矩形單懸臂梁收集的能量最少。

2.1.2 圓膜型結(jié)構(gòu)

對(duì)于單懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振動(dòng)能量收集裝置，其承受的壓力或沖擊載荷不能太大，在一些沖擊載荷較大的場(chǎng)合中就限制了其應(yīng)用。Ericka等［30］設(shè)計(jì)了一種能夠承受較高載荷的圓盤(pán)形壓電能量收集結(jié)構(gòu)，其壓電振子由直徑為25 mm壓電層與圓形銅薄片粘貼而成。實(shí)驗(yàn)研究表明，在2 g加速度、2.58 kHz振動(dòng)頻率、1 MΩ負(fù)載情況下能產(chǎn)生24 V電壓，在相同頻率、加速度條件下，56 kΩ負(fù)載情況下最大輸出電能為1.8 mW。

Kim 等［31－32］研究了一種cymbal型壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的發(fā)電情況，該結(jié)構(gòu)在壓電圓片兩側(cè)分別粘結(jié)一個(gè)相同的碟形金屬帽，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)壓電片的直徑為29 mm，厚度為1 mm，鋼帽的厚度為0.3 mm，高度為1 mm，空腔直徑為17 mm時(shí)，工作頻率為100 Hz，作用力大小為7.8 N時(shí)，產(chǎn)生的功率為39 mW。

圖2 cymbal型振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.2 Cymbal shape piezoelectric vibration energy harvesting structure

2.2 單方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)

上述單方向、單諧振頻率壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)雖然目前研究得相對(duì)較多，但在研究中也發(fā)現(xiàn)了其存在的不少缺陷。以單懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)為例，其頻帶寬度為2ξωn(ξ為能量收集結(jié)構(gòu)的阻尼比;ωn為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率)，當(dāng)工作在十幾赫茲的低頻振動(dòng)環(huán)境，阻尼比為0.025時(shí)，其頻帶寬度不到1 Hz。而實(shí)際振動(dòng)環(huán)境的頻率一般存在一定范圍的波動(dòng)，壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的頻帶若過(guò)窄，將不能很好地滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求?；诖耍绾瓮卣箟弘娬駝?dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻帶已成為研究者們著力解決的問(wèn)題之一。目前，文獻(xiàn)提到的頻帶擴(kuò)展方法主要有多懸臂梁－單/多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)、單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)以及頻率可調(diào)式結(jié)構(gòu)等。

2.2.1 多懸臂梁－單/多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)

多懸臂梁－單/多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)使結(jié)構(gòu)某兩階頻率相接近來(lái)實(shí)現(xiàn)頻帶擴(kuò)展。于慧慧等［33］提出了一種多懸臂梁－單質(zhì)量塊壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)。其俯視圖如圖3所示，該能量收集結(jié)構(gòu)由三根懸臂梁和一個(gè)質(zhì)量塊構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)研究表明，該壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的工作頻率范圍為113～155 Hz，帶寬達(dá)到42 Hz，在100 kΩ 負(fù)載情況下，在一階共振頻率下，結(jié)構(gòu)輸出功率為68.91 μW，在二階共振頻率處，輸出功率達(dá)到155.71 μW，一階與二階共振頻率之間，最小輸出功率為37.56 μW。

弗吉尼亞理工大學(xué)的Erturk等［34－35］研究了一種L型多懸臂梁－多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的單懸臂梁結(jié)構(gòu)的一、二階固有頻率之間至少相差六倍，而通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的L型多懸臂梁－多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的前兩階固有頻率之間只相差一倍。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)中懸臂梁的參數(shù)，可以使其一階固有頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相同，若環(huán)境中振動(dòng)頻率稍微變大，L型多懸臂梁－多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)即會(huì)發(fā)生2：1內(nèi)共振模式，振動(dòng)能量在一、二階模態(tài)之間傳遞，其振幅甚至比一階共振振幅要大，輸出電能也更大。他們?cè)O(shè)計(jì)的L型多懸臂梁－多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的前兩階固有頻率分別為23.8 Hz和46.5 Hz。在前兩階固有頻率太接近時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)該結(jié)構(gòu)受到與其一階固有頻率相同的外界振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，L型多懸臂梁－多質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)不如單懸臂梁結(jié)構(gòu)敏感。

圖3 多懸臂梁－單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch of multi－cantileversingle－mass structure

圖4 L型懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of L shape piezoelectric cantilever

2.2.2 單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)

單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)設(shè)計(jì)具有不同諧振頻率的系列單懸臂梁結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻帶擴(kuò)展，這樣，即使環(huán)境振動(dòng)頻率發(fā)生變化，則該能量收集結(jié)構(gòu)中總會(huì)有某些單懸臂梁處于工作狀態(tài)。單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)其缺點(diǎn)是在某一頻段只有特定的單懸臂梁處于最佳工作狀態(tài)，能量利用率不高。

Shahruz［36］將多個(gè)固有頻率相近的單懸臂梁進(jìn)行組合，研究了一種單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)的響應(yīng)頻帶問(wèn)題，研究的單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)如圖5所示。Shahruz在研究中建立了單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)的各階固有頻率的理論分析模型，并利用材料參數(shù)等效的方式使之適應(yīng)于壓電雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究表明，設(shè)計(jì)單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)時(shí)，為達(dá)到擴(kuò)展頻帶的目的，應(yīng)該滿(mǎn)足兩個(gè)條件：① 結(jié)構(gòu)中各單懸臂梁的固有頻率有細(xì)微差別;② 各單懸臂梁頻率響應(yīng)的無(wú)窮范數(shù)應(yīng)基本相同。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的袁江波等［37］根據(jù)上述理論通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了具有8個(gè)單懸臂梁的單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)的響應(yīng)頻帶，研究表明，根據(jù)上述理論所設(shè)計(jì)的單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)其諧振頻率的變化范圍為56～72 Hz。

圖5 單懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of multiple piezoelectric cantilevers

2.2.3 頻率可調(diào)式結(jié)構(gòu)

頻率可調(diào)式結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)固定螺絲或者其它裝置，在壓電懸臂梁的固定端或者末端施加預(yù)應(yīng)力，從而改變結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率。對(duì)于這種形式的結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜。

Challa 等［38］提出了一種共振頻率可調(diào)的壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)在壓電懸臂梁末端設(shè)置4塊永磁體，利用永磁體之間力的作用來(lái)改變結(jié)構(gòu)的剛度。其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。通過(guò)研究表明，該結(jié)構(gòu)固有頻率的相對(duì)變化率可以達(dá)到±20%，這種采用電磁力的調(diào)頻方式的特殊之處在于壓電懸臂梁的固有頻率既可以調(diào)大也可以調(diào)小。Challa通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了一固有頻率為26 Hz的壓電懸臂梁，在壓電懸臂梁末端電磁力作用下，其頻率調(diào)節(jié)范圍為22～32 Hz，在此頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)收集到的能量的變化范圍為240～280 μW。

圖6 頻率可調(diào)式能量收集結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch of resonance frequency tunable energy harvesting structure

2.3 多方向壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)

上一節(jié)介紹的單方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)能夠在較寬的振動(dòng)頻帶內(nèi)收集到較多的能量，增強(qiáng)了壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的實(shí)用化。但是，壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用中的另一個(gè)問(wèn)題開(kāi)始引起研究者的關(guān)注，即實(shí)際振動(dòng)環(huán)境中有些振源的振動(dòng)方向是變化的，而前面介紹的壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的方向選擇性很強(qiáng)，在這種情況下，勢(shì)必會(huì)削弱其收集振動(dòng)能量的能力。方向的選擇性帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是，在安裝壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)時(shí)，必須注意環(huán)境振動(dòng)的方向，這有時(shí)候需要專(zhuān)業(yè)人員才能完成?；诖耍醒芯空咛岢隽硕喾较驂弘娬駝?dòng)能量收集的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為壓電振動(dòng)能量收集方法的研究提供了一種新的思路。

2.3.1 桿環(huán)結(jié)構(gòu)

南京航空航天大學(xué)的李彬［39］提出一種桿環(huán)結(jié)構(gòu)的多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置，其結(jié)構(gòu)形式如圖7所示?？梢钥吹?，該裝置由一個(gè)金屬圓環(huán)、一個(gè)兩端可以在圓環(huán)上自由滑動(dòng)的輕質(zhì)桿件、一個(gè)可以在輕質(zhì)桿上自由滑動(dòng)的球形或者立方體質(zhì)量塊以及兩個(gè)連接在質(zhì)量球和輕質(zhì)桿與金屬圓環(huán)接觸端的換能結(jié)構(gòu)組成，其中，金屬環(huán)可以繞過(guò)其一條直徑的軸自由旋轉(zhuǎn)。將該裝置裝入振動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，金屬球的滑動(dòng)方向會(huì)由于慣性自動(dòng)調(diào)節(jié)其振動(dòng)方向，最終逐漸趨近于外界的最大振動(dòng)方向，由此達(dá)到收集多個(gè)方向振動(dòng)能量的目的。該多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的缺點(diǎn)是，制作時(shí)相對(duì)復(fù)雜一些，對(duì)轉(zhuǎn)軸部分要求摩擦小，環(huán)和桿在調(diào)節(jié)方向過(guò)程中會(huì)消耗一部分能量，方向調(diào)節(jié)響應(yīng)可能不夠快，對(duì)外界激勵(lì)水平小的振動(dòng)敏感程度夠不高，在垂直于桿的振動(dòng)方向上振動(dòng)時(shí)可能會(huì)有死點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致部件的磨損等。

圖7 桿環(huán)結(jié)構(gòu)多方向振動(dòng)能量收集裝置示意圖Fig.7 Sketch of pole－loop shape multi－direction vibration energy harvesting structure

2.3.2 立方體－質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)

南京航空航天大學(xué)的劉祥建等［40］提出一種立方體－質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置，其結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。該裝置由立方體形金屬框架、金屬質(zhì)量塊和將質(zhì)量塊與立方體形金屬框架連接起來(lái)的8個(gè)相同的Rainbow型壓電換能器組成。為了實(shí)現(xiàn)該多方向振動(dòng)能量收集裝置對(duì)不同方向振動(dòng)能量的收集，在Rainbow型壓電換能器與金屬框架及金屬質(zhì)量塊的聯(lián)接設(shè)計(jì)上，采用了萬(wàn)向柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式。實(shí)驗(yàn)研究表明，在裝置外形尺寸為3 cm×3 cm×3 cm條件下，裝置在不同方向的外部激勵(lì)下都能夠收集到振動(dòng)能量，其最大輸出功率為0.2 mW。其缺點(diǎn)是在某些方向激勵(lì)下(比如沿著面對(duì)角線方向)，收集到的能量較少。

圖8 立方體－質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)多方向振動(dòng)能量收集裝置示意圖Fig.8 Sketch of cube－mass shape multi－direction vibration energy harvesting structure

3 壓電振動(dòng)能量收集裝置能量收集電路

上述壓電振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)的方向性和響應(yīng)頻帶優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的是使裝置能夠收集到較多的能量，除了上述對(duì)壓電振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)的有效設(shè)計(jì)之外，對(duì)裝置能量收集電路的優(yōu)化研究也不容忽視。

3.1 經(jīng)典能量收集電路

如圖9所示，經(jīng)典能量收集電路［41］包括一個(gè)全橋整流器和一個(gè)濾波電容，該電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)AC－DC變換電路。電路中全橋整流器的作用是將壓電元件輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，濾波電容必須足夠大以保證輸出電壓基本穩(wěn)定。

圖9 經(jīng)典能量收集電路Fig.9 Standard interface circuit

袁江波等［42］用此經(jīng)典能量收集電路對(duì)懸臂梁?jiǎn)尉弘姲l(fā)電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)激勵(lì)頻率為57 Hz，激勵(lì)力峰值為0.1 N，負(fù)載為10 kΩ時(shí)，測(cè)得電路的輸出功率為1.18 mW。

3.2 同步電荷提取電路

同步電荷提取法是周期性的將壓電元件上積累的電荷轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能元件上，該方法具有兩個(gè)特點(diǎn)：① 電荷的提取與機(jī)械振動(dòng)同相位;② 壓電元件多數(shù)時(shí)間處于開(kāi)路狀態(tài)。其電路原理圖如圖10所示。同步電荷提取電路電荷提取的過(guò)程，實(shí)際上是壓電元件的靜態(tài)夾持電容C0與電感L在開(kāi)關(guān)閉合期間，構(gòu)成了L－C0振蕩回路，在振蕩的前四分之一個(gè)周期內(nèi)，將壓電元件儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電感L上。由于開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間是在結(jié)構(gòu)位移與壓電元件的電壓均達(dá)到極值的時(shí)刻，因此開(kāi)關(guān)的工作周期與結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期是同步的，這也是同步電荷提取電路的最主要特點(diǎn)所在。

圖10 同步電荷提取電路Fig.10 Synchronous charge extraction interface circuit

Lefeuvre等［43］對(duì)同步電荷提取電路進(jìn)行了相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，同步電荷提取電路能量收集的輸出功率與所接負(fù)載大小無(wú)關(guān)，且其輸出的平均功率為經(jīng)典能量收集電路最大功率的4倍。該電路的缺點(diǎn)是對(duì)開(kāi)關(guān)的控制要求很高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

3.3 并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路

并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路在壓電元件與整流橋之間并聯(lián)電感L和開(kāi)關(guān)S，如圖11所示。在壓電振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)的位移達(dá)到極大值或極小值時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)S，此時(shí)，L－C0形成振蕩回路。經(jīng)過(guò)1/2振蕩周期斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，電壓在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S這段時(shí)間內(nèi)幾乎瞬時(shí)的完成反向。從能量收集的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路實(shí)質(zhì)上是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度變向時(shí)，隨之改變壓電元件兩端的電壓，增加壓電元件阻尼作用的時(shí)間，從而將更多的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度變向的時(shí)刻恰為位移達(dá)到極值的時(shí)刻。

圖11 并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路Fig.11 Parallel－SSHI interface circuit

Lefeuvre等［44］對(duì)并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該能量收集電路與經(jīng)典能量收集電路相比，電路的能量收集效率可提高400%。

3.4 串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路

串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路與并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路結(jié)構(gòu)類(lèi)似，如圖12所示，其區(qū)別在于電感L和開(kāi)關(guān)S是串接在壓電元件和整流橋之間的。在串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路中，壓電元件同樣大部分時(shí)間處于開(kāi)路狀態(tài)，每次開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，壓電元件靜態(tài)夾持電容C0上存儲(chǔ)的一部分能量經(jīng)過(guò)整流橋轉(zhuǎn)移到濾波電容Cr上面，且壓電元件兩端電壓完成反向。當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)后，濾波電容Cr向負(fù)載供電。

圖12 串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路Fig.12 Series－SSHI interface circuit

Lefeuvre等［45－48］對(duì)串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路及前述的經(jīng)典能量收集電路、同步電荷提取電路、并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路進(jìn)行了比較研究。研究表明，在力激勵(lì)時(shí)，這四種能量收集電路的最大輸出功率相等，且同步電荷提取電路輸出的功率不受負(fù)載大小的影響;在位移激勵(lì)下，串/并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路收集到的能量是經(jīng)典能量收集電路收集到能量的15倍，是同步電荷提取電路的3倍多。雖然串/并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路的最大輸出功率相等，但是串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路的匹配阻抗比并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路的匹配阻抗低四個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.5 降壓式DC－DC變換能量收集電路

降壓式DC－DC變換能量收集電路是經(jīng)典能量收集電路與降壓式DC－DC變換電路的結(jié)合，如圖13所示。壓電元件輸出的電能首先經(jīng)過(guò)整流橋，存儲(chǔ)在電容Crect中，然后經(jīng)過(guò)DC－DC變換電路，將電能轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)能元件，為負(fù)載供電。降壓式能量收集電路通過(guò)調(diào)節(jié)降壓式DC－DC電路的占空比，使電容Crect上的電壓一直保持在整流橋輸出電壓的最大值，從而使電路的輸出功率最大。

圖13 降壓式DC－DC變換能量收集電路Fig.13 DC－DC step－down interface circuit

Lesieutre等［49］對(duì)該電路進(jìn)行了相關(guān)研究。研究得到，能量收集電路的最優(yōu)占空比是2.8%，采用優(yōu)化控制的情況下效率達(dá)到了70%，當(dāng)激勵(lì)力作用在壓電振動(dòng)能量收集裝置上并產(chǎn)生48 V電壓時(shí)，該能量收集電路收集到的能量是直接充電電路收集到能量的三倍。

3.6 雙同步開(kāi)關(guān)電感電路

能量收集電路設(shè)計(jì)的目的主要有兩點(diǎn)：① 盡可能提高能量收集效率;② 盡可能使輸出功率與負(fù)載相互獨(dú)立。雙同步開(kāi)關(guān)電感電路正是基于以上兩個(gè)目的提出的，該電路可以為不同負(fù)載提供恒定的輸出功率。雙同步開(kāi)關(guān)電感電路原理如圖14所示，它包括兩部分：一是串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感部分，由壓電元件、開(kāi)關(guān)管S1、電感 L1、整流橋及中間電容 Crt組成;二是 Buck－Boost變換電路部分，由開(kāi)關(guān)管S2、電感L2、二極管D及濾波電容Cs組成，但此處開(kāi)關(guān)管的控制方法與傳統(tǒng)Buck－Boost變換電路有所區(qū)別。

圖14 雙同步開(kāi)關(guān)電感電路Fig.14 Double synchronized switch harvesting circuit

Lallart等［50］對(duì)雙同步開(kāi)關(guān)電感電路進(jìn)行了研究。研究中，裝置結(jié)構(gòu)位移幅值保持在2mm，Buck－Boost變換電路的效率為0.9，雙同步開(kāi)關(guān)電感電路輸出的功率為經(jīng)典能量收集電路的5倍以上，是同步電荷提取電路的1.5倍左右。同時(shí)，與同步電荷提取電路類(lèi)似，雙同步開(kāi)關(guān)電感電路輸出功率與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。

4 壓電振動(dòng)能量收集裝置研究趨向

由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出功率較大以及易與MEMS集成等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外掀起了對(duì)壓電式振動(dòng)能量收集裝置的研究熱潮，但無(wú)論結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)參數(shù)如何變化，其最終目的就是能夠投入到實(shí)際應(yīng)用之中。綜觀上述壓電式振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)及能量收集電路的演化與變遷，不難發(fā)現(xiàn)，有以下幾點(diǎn)值得關(guān)注。

(1)高性能壓電材料的能量收集應(yīng)用研究。壓電材料性能的好壞將直接影響著壓電振動(dòng)能量收集裝置能量收集性能的優(yōu)劣，高性能、新型壓電材料的制備及其在振動(dòng)能量收集方面的應(yīng)用研究將更進(jìn)一步的優(yōu)化壓電振動(dòng)能量收集裝置的設(shè)計(jì)。例如Rakbamrung等［51］對(duì)兩種壓電復(fù)合材料PZT+1 mol%Mn和PMN－25PT在能量收集方面的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，研究表明，相對(duì)于PZT+1 mol%Mn，PMN－25PT更有利于振動(dòng)能量的收集，在經(jīng)典能量收集電路下，后者所產(chǎn)生的最大輸出功率比前者提高了160%。

(2)新型、智能化壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究。在壓電振動(dòng)能量收集裝置結(jié)構(gòu)的研究過(guò)程中，考慮到某些應(yīng)用場(chǎng)合的振源振動(dòng)情況是復(fù)雜的，這既包括振源的振動(dòng)方向是變化的，也包括振源的振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)變化，這就要求所設(shè)計(jì)的壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)不僅具有多方向性，同時(shí)又具有較寬的頻帶。智能化自適應(yīng)調(diào)頻的新型多方向壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將會(huì)引起更多的思考。如陳仁文等［40］提出的立方體－質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置，是一種區(qū)別于前述懸臂梁結(jié)構(gòu)、圓膜結(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)。另外，Lallart等［52］提出一種壓電振動(dòng)發(fā)電機(jī)頻率自調(diào)諧方法，通過(guò)可調(diào)電壓源控制壓電驅(qū)動(dòng)器，以此自適應(yīng)的改變系統(tǒng)剛度，實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法可以將頻帶拓寬400%。

(3)效率高、耗能小及簡(jiǎn)單可靠的能量收集電路的設(shè)計(jì)研究。通常，壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)所收集到的能量較小，耗能小、高效率的能量收集電路將有效的提高整個(gè)壓電振動(dòng)能量收集裝置的輸出功率，這一點(diǎn)從前述對(duì)壓電振動(dòng)能量收集裝置能量收集電路的介紹中不難看出。隨著對(duì)多壓電元件振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)研究的展開(kāi)及對(duì)能量收集電路設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，簡(jiǎn)單、高效、低耗能的能量收集電路研究將會(huì)得到更多的關(guān)注。比如說(shuō)，前述介紹的能量收集電路都是針對(duì)單個(gè)壓電元件的，而對(duì)于多個(gè)壓電元件的裝置結(jié)構(gòu)，就需聯(lián)接多個(gè)全橋整流電路，這樣不但增加了電路本身的能耗，而且更加大了電路的復(fù)雜程度。Romani等［53］提出了一種新穎的多壓電源能量轉(zhuǎn)換器，這個(gè)轉(zhuǎn)換器由一個(gè)共用電感器和一組模擬開(kāi)關(guān)組成，大大簡(jiǎn)化了多壓電源能量收集電路的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)研究表明，驅(qū)動(dòng)該組模擬開(kāi)關(guān)的耗能僅為總能量的1%。

5 結(jié)論

本文針對(duì)壓電式振動(dòng)能量收集裝置，對(duì)其目前的若干研究動(dòng)態(tài)和進(jìn)展給出了較為合理的分類(lèi)和闡述，并總結(jié)了其未來(lái)的研究趨勢(shì)和方向?？梢钥闯?，影響壓電式振動(dòng)能量收集裝置發(fā)電性能的因素除了振動(dòng)能量收集裝置本身的結(jié)構(gòu)形式、能量收集電路及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)之外，另外一點(diǎn)也不容忽視，也即壓電振動(dòng)能量收集裝置應(yīng)用的外部環(huán)境，特別是壓電振動(dòng)能量收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與所涉及的應(yīng)用環(huán)境是密切相關(guān)的，必須基于振動(dòng)頻譜的基本特性。壓電振動(dòng)能量收集裝置以其結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)和清潔環(huán)保等特性，在不久的將來(lái)有望成為電池的替代品，為各類(lèi)微機(jī)電系統(tǒng)及低功率無(wú)源傳感器提供動(dòng)力。

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Current situation and developing trend of piezoelectric vibration energy harvesters

LIU Xiang－jian，CHEN Ren－wen
(Aeronautics Science Key Laboratory for Smart Materials＆ Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

With the development of wireless technology and micro－electro－mechanical technology，the flaws of electrochemical batteries as power sources have gradually appeared.On the contrary，piezoelectric vibration energy harvesters receive more attention because oftheiradvantages ofsimple structure，no pollution and easily microminiaturizing.Beginning with the piezoelectric materials and their piezoelectricity，the piezoelectric vibration energy harvesters were reviewed on the aspects of structure design and energy harvesting circuit design.Based on the directivity and response band of the piezoelectric vibration energy harvesters，the improvements on the structure design were introduced in detail.In view of the energy harvesting efficiency，the improvements of the energy harvesting circuit design were also introduced.The development perspective of the piezoelectric vibration energy harvesters was summarized.The study will be helpful for the researchers who are engaged in the studying on the piezoelectric vibration energy harvesting.

piezoelectric vibration energy harvesting;wide band;multi－direction;energy harvesting circuit

TN384

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10972102);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(200802870007);江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2009163)

2011－04－26 修改稿收到日期：2011－06－30

劉祥建 男，博士生，1980年生