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摘要：虽然同步电感能量提取技术（SSHI）能够显著提高压电能量采集装置的采集效率，但需要额外的位移传感器对压电片的动作状态进行检测，在压电片发生复杂形变时此方法不适用。为了提升俘能电路在非线性激励下的工作效率，本文基于小旗式压电风能采集装置，设计了一种新型自供电、自感知式同步电感能量采集接口电路，该电路可以根据压电片输出的电压判断压电片的形变量，实现同步电感开关的自动控制。同时，利用Multisim电路仿真软件，对标准接口电路及新型接口电路进行仿真分析。仿真结果表明，新型接口电路能够有效提高俘能电路在非线性激励下的能量俘获效率，与传统俘能电路相比，新型俘能电路可以使输出功率提升30%。该研究为非线性俘能电路的设计提供了理论依据。
关键词：风致压电发电; 同步电感提取技术; 接口电路
随着微机电系统（microelectromechanical system，MEMS）技术的发展，各种微型传感器与执行器不断涌出，它们对供能的要求越来越严格。传统的供电电池寿命短、易对环境造成污染，无法满足其需求，而压电能量收集技术，直接从环境振动中获取能量，对环境无污染、寿命长、易于与微型传感器等集成到一起。基于风致振动原理构成的风能收集装置，将风能转化为压电装置振动的机械能，最后转化为电能，功率密度大、体积小，适合为微小型传感系统供电[1-2]。经典的能量采集电路（standard energy harvesting，SEH）由二极管整流桥与滤波电容组成，结构简单，无需外加控制电路，但电路本身能量转化效率低，受负载影响较大[3];D.Guyomar等人[4]提出了同步电荷提取技术（synchronous charge extraction circuit，SCEC）接口电路，该电路能有效提高能量收集装置的输出功率，且输出功率不随负载的变化改变;M.Lallart等人[5]提出了并联同步电感接口电路（parallelsynchronized switch harvesting on inductor，ParallelSSHI），进一步提升了能量收集装置的输出功率;G.W.Taylor等人[6-7]提出了串联同步电感接口电路（seriessynchronized switch harvesting on inductor，SeriesSSHI），输出功率随负载变化，比并联同步电感接口小，但其最优匹配阻抗比后者小两个数量级;朱莉娅等人[8-12]改进了上述电路，引进无源峰值检测技术，减少了开关控制电路的能耗。上述研究均在标准正弦激励下进行，并未给出在不规则波形下的峰值检测方法。因此，本文基于风致振动压电发电时压电片复杂的形变方式，以并联同步电感提取技术为例，设计了一种自感知、自供电式的接口电路，并通过Multisim电路仿真软件进行仿真分析，仿真结果表明，改进后的电路可以提升压电俘能器在非线性激励下的俘能效率，使原应用于线性激励下的俘能电路可以在非线性激励条件下进行良好工作。该研究对非线性俘能电路设计提出了新的思路。
1 风致压电能量采集装置及压电电路等效模型
流体经过钝体后会产生涡街现象，涡街推动压电片往复摆动产生形变，从而产生电能。风致振动压电片要求压电材料柔性好，挠度大，可随风摆动发生变形，且不易折断，固选用聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）压电材料。该能量采集装置的压电片由三部分组成，分别为能量采集单元、控制信号发生单元及控制电路能量供给单元。三部分并行粘结在一起，分别引出独立的电极。因三部分压电片受到激励时形变相同，因此可以通过电压波形判断压电片的位姿，新型小旗型压电能量采集装置如图1所示。压电片的等效电路可以由一正弦电流源及等效电容并联表示，压电片等效原理图如图2所示，图2中，I为等效电流源电流，Cr为等效电容，R为压电片内阻，一般为几十兆欧，甚至上百兆欧。
2 接口电路原理分析
经典接口电路由整流桥与滤波电容组成，经典能量收集接口示意图如图3所示，为保证整流后电压为直流信号，应选择滤波电容满足RLCL远大于电路电压信号的振荡周期。
并联同步电感能量接口电路在经典电路的基础上增加了一个可控开关与电感[13-16]。可控开关S在压电片电压U达到峰值时闭合，使压电片等效电容Cr与电感L形成LC振荡回路，并使压电片输出电压在极短时间内快速翻轉，之后开关S断开，以达到修缮波形的目的，修缮后的波形为U1。
PSSHI能量采集接口[17-20]如图4所示，采用同步电感提取技术进行修缮，PSSHI修缮后的压电片输出波形如图5所示。基于风致压电能量收集装置的电路由三部分组成，即能量收集电路，控制信号发生电路，能量供给电路。电压翻转时，LC振荡周期远小于压电片输出电压的周期，为防止在压电片输出电压的半个周期内电压多次反转，能量收集电路的控制开关由2个金氧半场效晶体管（metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor，MOS）及2个二极管构成，以达到双向单通的目的，这样在半个电压输出周期内，电压只能反转1次。
从全局看，风致压电能量收集装置输出波形近似于正弦波，只在局部有细小波动。同步电感的开关控制应以全局条件下的峰值作为判断依据，若以局部峰值为基准，开关通断过于频繁，会消耗过多的能量，因此在电路仿真时，可以用全局等效正弦波代替原电压信号。控制信号发生电路由施密特触发器与反相器组成，由施密特触发器的迟滞触发作用可知，当电压信号V达到施密特触发器阈值电压的正向阈值电压V+时，其发出高电平信号，MOS管1导通;当电压信号达到施密特触发器负向阈值电压V-时，发出低电平信号，经反相器反转后，输出高电平，使MOS管2导通。
能量供给电路由二极管整流桥与滤波电容Cr1组成，为施密特触发器等有源器件提供所需能量。自感知和自供电式PSSHI电路示意图如图6所示。 3 仿真分析
实验所选俘能为PVDF，压电片长为170 mm，宽为5 mm，厚度为0.5 mm，等效电容为11 nF，等效电阻为200 MΩ，PVDF材料相关参数如表1所示。
在钝体直径为10 mm时，该压电片在风速从0.1～10 m/s变化时产生的开路峰值电压从几伏增大到十几伏，此次电路仿真选取的开路输出电压为15 V，频率为5 Hz。在开路状态下的新型能量提取电路，其压电片输出电压随时间变化曲线如图7所示;对于标准电路与新型能量提取电路，其输出电压随负载变化曲线如图8所示，输出功率随负载变化曲线如图9所示。
由图7～图9可已看出，采用PSSHI电路后，压电能量采集装置的输出电压比经典接口电路高1倍左右，最大输出功率提高30%，但最优匹配阻抗有所增加。
4 结束语
传统俘能电路只能应用于线性激励作用下的俘能器，对非线性电能的俘能效果较低，本文基于风致压电能量收集装置，提出了一种自感知、自供电式的并联同步电感提取电路控制策略，对非标准简谐信号也有较高的能量收集功率。该控制策略以压电片输出电压全局下的峰值作为检测对象，控制同步电感开关的通断，与经典接口相比，负载上的电压提升约1倍，最大输出功率提升30%，有效提升了非线性能量收集器的俘能效率。另外，电路中的元器件多为无源器件，能够最大程度减少俘能电路本身的损耗，这种利用压电片自身输出电压作为检测信号的俘能电路设计，为非线性能量收集电路设计提供了新的思路。
参考文献：
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[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.
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关键词：风致压电发电; 同步电感提取技术; 接口电路
随着微机电系统（microelectromechanical system，MEMS）技术的发展，各种微型传感器与执行器不断涌出，它们对供能的要求越来越严格。传统的供电电池寿命短、易对环境造成污染，无法满足其需求，而压电能量收集技术，直接从环境振动中获取能量，对环境无污染、寿命长、易于与微型传感器等集成到一起。基于风致振动原理构成的风能收集装置，将风能转化为压电装置振动的机械能，最后转化为电能，功率密度大、体积小，适合为微小型传感系统供电[1-2]。经典的能量采集电路（standard energy harvesting，SEH）由二极管整流桥与滤波电容组成，结构简单，无需外加控制电路，但电路本身能量转化效率低，受负载影响较大[3];D.Guyomar等人[4]提出了同步电荷提取技术（synchronous charge extraction circuit，SCEC）接口电路，该电路能有效提高能量收集装置的输出功率，且输出功率不随负载的变化改变;M.Lallart等人[5]提出了并联同步电感接口电路（parallelsynchronized switch harvesting on inductor，ParallelSSHI），进一步提升了能量收集装置的输出功率;G.W.Taylor等人[6-7]提出了串联同步电感接口电路（seriessynchronized switch harvesting on inductor，SeriesSSHI），输出功率随负载变化，比并联同步电感接口小，但其最优匹配阻抗比后者小两个数量级;朱莉娅等人[8-12]改进了上述电路，引进无源峰值检测技术，减少了开关控制电路的能耗。上述研究均在标准正弦激励下进行，并未给出在不规则波形下的峰值检测方法。因此，本文基于风致振动压电发电时压电片复杂的形变方式，以并联同步电感提取技术为例，设计了一种自感知、自供电式的接口电路，并通过Multisim电路仿真软件进行仿真分析，仿真结果表明，改进后的电路可以提升压电俘能器在非线性激励下的俘能效率，使原应用于线性激励下的俘能电路可以在非线性激励条件下进行良好工作。该研究对非线性俘能电路设计提出了新的思路。
1 风致压电能量采集装置及压电电路等效模型
流体经过钝体后会产生涡街现象，涡街推动压电片往复摆动产生形变，从而产生电能。风致振动压电片要求压电材料柔性好，挠度大，可随风摆动发生变形，且不易折断，固选用聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）压电材料。该能量采集装置的压电片由三部分组成，分别为能量采集单元、控制信号发生单元及控制电路能量供给单元。三部分并行粘结在一起，分别引出独立的电极。因三部分压电片受到激励时形变相同，因此可以通过电压波形判断压电片的位姿，新型小旗型压电能量采集装置如图1所示。压电片的等效电路可以由一正弦电流源及等效电容并联表示，压电片等效原理图如图2所示，图2中，I为等效电流源电流，Cr为等效电容，R为压电片内阻，一般为几十兆欧，甚至上百兆欧。
2 接口电路原理分析
经典接口电路由整流桥与滤波电容组成，经典能量收集接口示意图如图3所示，为保证整流后电压为直流信号，应选择滤波电容满足RLCL远大于电路电压信号的振荡周期。
并联同步电感能量接口电路在经典电路的基础上增加了一个可控开关与电感[13-16]。可控开关S在压电片电压U达到峰值时闭合，使压电片等效电容Cr与电感L形成LC振荡回路，并使压电片输出电压在极短时间内快速翻轉，之后开关S断开，以达到修缮波形的目的，修缮后的波形为U1。
PSSHI能量采集接口[17-20]如图4所示，采用同步电感提取技术进行修缮，PSSHI修缮后的压电片输出波形如图5所示。基于风致压电能量收集装置的电路由三部分组成，即能量收集电路，控制信号发生电路，能量供给电路。电压翻转时，LC振荡周期远小于压电片输出电压的周期，为防止在压电片输出电压的半个周期内电压多次反转，能量收集电路的控制开关由2个金氧半场效晶体管（metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor，MOS）及2个二极管构成，以达到双向单通的目的，这样在半个电压输出周期内，电压只能反转1次。
从全局看，风致压电能量收集装置输出波形近似于正弦波，只在局部有细小波动。同步电感的开关控制应以全局条件下的峰值作为判断依据，若以局部峰值为基准，开关通断过于频繁，会消耗过多的能量，因此在电路仿真时，可以用全局等效正弦波代替原电压信号。控制信号发生电路由施密特触发器与反相器组成，由施密特触发器的迟滞触发作用可知，当电压信号V达到施密特触发器阈值电压的正向阈值电压V+时，其发出高电平信号，MOS管1导通;当电压信号达到施密特触发器负向阈值电压V-时，发出低电平信号，经反相器反转后，输出高电平，使MOS管2导通。
能量供给电路由二极管整流桥与滤波电容Cr1组成，为施密特触发器等有源器件提供所需能量。自感知和自供电式PSSHI电路示意图如图6所示。 3 仿真分析
实验所选俘能为PVDF，压电片长为170 mm，宽为5 mm，厚度为0.5 mm，等效电容为11 nF，等效电阻为200 MΩ，PVDF材料相关参数如表1所示。
在钝体直径为10 mm时，该压电片在风速从0.1～10 m/s变化时产生的开路峰值电压从几伏增大到十几伏，此次电路仿真选取的开路输出电压为15 V，频率为5 Hz。在开路状态下的新型能量提取电路，其压电片输出电压随时间变化曲线如图7所示;对于标准电路与新型能量提取电路，其输出电压随负载变化曲线如图8所示，输出功率随负载变化曲线如图9所示。
由图7～图9可已看出，采用PSSHI电路后，压电能量采集装置的输出电压比经典接口电路高1倍左右，最大输出功率提高30%，但最优匹配阻抗有所增加。
4 结束语
传统俘能电路只能应用于线性激励作用下的俘能器，对非线性电能的俘能效果较低，本文基于风致压电能量收集装置，提出了一种自感知、自供电式的并联同步电感提取电路控制策略，对非标准简谐信号也有较高的能量收集功率。该控制策略以压电片输出电压全局下的峰值作为检测对象，控制同步电感开关的通断，与经典接口相比，负载上的电压提升约1倍，最大输出功率提升30%，有效提升了非线性能量收集器的俘能效率。另外，电路中的元器件多为无源器件，能够最大程度减少俘能电路本身的损耗，这种利用压电片自身输出电压作为检测信号的俘能电路设计，为非线性能量收集电路设计提供了新的思路。
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[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， 郑梅， 陈仁文. 一种无源同步开关压电能量收集电路研究[J]. 电子元件与材料， 2016， 35（4）： 70-75.
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[10] 束军， 杨沛， 雷金辉. 基于SECE振动能量收集模块的设计与实现[J]. 信息技术， 2017（6）： 177-180.
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[12] 王志东. 基于MEMS振动能量采集器的微电源设计与性能优化[D]. 济南： 山东大学， 2017.
[13] 张宝强， 王宏涛， 孟莹梅. DICH压电能量回收接口电路设计[J]. 压电与声光， 2015， 37（2）： 349-353.
[14] 武丽森， 刘海鹏， 张广义， 等. 非线性压电-电磁复合式俘能器的结构设计[J]. 压电与声光， 2016， 38（4）： 570-574.
[15] 陈晓林， 刘红俊. 基于压电效应的路面振动能量收集技术[J]. 机械设计与研究， 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.
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