压电能量回收系统接口电路研究

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作者：

石东雨

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摘要：

为取代无线系统和便携式电子设备目前采用的锂电池供电方式,能量回收技术得到了迅速发展,其中压电式能量回收系统因其体积小、输出功率大、对电子器件不产生电磁干扰、易于器件的小型化等诸多优点而受到国内外学者的广泛关注和研究。本文对压电式能量回收系统的接口电路展开研究,主要研究内容和取得的成果如下:1.结合压电材料的第二类压电方程和"弹簧+质量+阻尼块"振动模型建立了能量回收系统的机电耦合模型,从原理上分析了能量回收系统的作用机理,研究了影响回收功率的系统参数。2.设计了一种新的高效能量回收接口电路并命名为SCEI(Synchronous Charge Extractionand Inversion)接口电路,详细阐明了SCEI接口电路的控制过程,推导了SCEI接口电路在恒定激振位移和恒定激振力情况下的理论回收功率,分析了该回收功率与控制开关导通时间的关系,并在电子仿真软件Multisim中验证了SCEI接口的整个工作过程。3.推导了Standard、SECE、Parallel-SSHI、Series-SSHI四种经典接口电路在恒定激振位移和恒定激振力情况下的理论回收功率,分析了它们的回收功率与负载、机电耦合系数的关系。在此基础上给出了SCEI接口电路与四种经典接口电路回收功率的比较结果。结果表明:在恒定激振位移情况下并忽略buck-boost转换效率时,SCEI接口电路的回收功率大于四种经典接口电路中具有最大回收功率的Parallel-SSHI电路,而且SCEI接口电路的回收功率与负载无关;在恒定激振力的情况下,随着系统机电耦合系数的增大,SCEI接口电路的回收功率先增大后减小,表现出与SECE接口相似的性能。4.根据压电片的性质建立了压电片的电路等效模型,运用此等效模型在Multisim中仿真了Standard、SECE、Parallel-SSHI、Series-SSHI和SCEI接口电路的控制过程和回收功率。5.搭建能量回收装置实验平台,在相同的激振水平下分别测得了Standard、SECE、Parallel-SSHI、Series-SSHI和SCEI接口电路在恒定激振位移情况下的回收功率与负载的关系,然后比较了这五种电路的实际回收功率大小以及回收功率与负载的关系。实验结果表明:当buck-boost转换器转换效率为0.65时,SCEI接口电路的实际回收功率略小于Parallel-SSHI接口的最大回收功率,并且SCEI接口的回收功率受负载的影响很小。

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关键词：

能量回收 压电片 接口电路 回收功率 Multisim Energy harvesting Piezoelectric patches Interface circuit Harvested power Multisim