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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。