宽带振动能量回收：双稳态发电机的优化与拓展研究

Wireless sensor network is a very important part of the future intelligent city and society. Until now, its life time is still limited by the capacity and the utilization status of the batteries which are used as the energy sources. In order to get rid of the restriction and achieve a long working time, a good idea is to convert the ambient vibration into the electric power which is supplied to the sensor nodes. In real applications, vibrations changes from time to time. A great challenge exists for the original narrow-band generator with the linear resonance structure. Therefore, the study of the wide-band vibration energy harvesting becomes very urgent. As an especially promising approach, the bi-stable generator which possesses the advantages of the nonlinear mono-stable generator and the multi-modal generator has attracted great interests. However, the good properties of the bi-stable generator come from the inter-well motions which are related to both the excitation characteristics and the generator parameters. In this project, optimization strategy is investigated for some typical excitations based on the buckled-spring-mass bi-stable generator which has been well studied by the applicant. Furthermore, a novel structure of combining this bi-stable generator and the multi-modal array structure is proposed so that the wide-band performance can be increased more obviously while a high power density is conserved. It offers a new and hopeful solution for the wide-band energy harvester in real applications.

作为建设智能城市的重要部分，无线传感器网络的工作期限仍主要取决于电池的能量密度和使用状况。为了摆脱电池限制、实现持久工作，一个想法是将环境中广泛存在的振动能量转化为电能，并作为无线传感器的能源。在实际中，振动随着应用场合的变化而呈现出多变的特征，这对于采用线性共振结构的窄带能量回收装置而言是巨大的挑战。因而，宽带振动能量回收的研究变得十分紧迫。双稳态振动发电机由于兼具升频式和非线性单稳态式两种宽带发电机的优点，具有极大的潜力。双稳态发电机的优势来源于两个势能阱间的运动，其最佳性能只在相应的激励幅度和频带范围内得到。本项目以申请人曾深入研究的屈曲弹簧质量双稳态发电机为基础，开展针对典型激励的优化，确定在不同激励下的最优参数配置，并以此为基础，提出将该双稳态发电机与多模阵列式结构相结合的新型拓展结构，进一步增强其宽带的回收性能，并确保较高的能量密度，为振动能量回收提供更广的实际应用可能。

无线传感器的自供电技术是物联网发展的重要方向之一。振动能量收集将环境振动转换为电能，替换电池或作为其辅助能源，被认为是一种极具潜力的技术方案。由于振动随着应用场合的变化而呈现出多变宽频的特征，宽带振动发电机的研究重要且紧迫。本项目以双稳态发电机这一极具优势的宽带方案为基础，研究其优化及拓展结构，将其与阵列式布置结合，在进一步增强带宽的同时，保证足够的功率密度，为宽带振动发电机的发展提供了有益思路。本项目的主要研究内容和成果有：.（一）双稳态振动发电机的优化。利用谐波平衡法对于双稳态发电机的归一化模型进行了求解，对双稳态发电机的屈曲水平、特征频率、阻尼系数、耦合水平及负载电阻等参数进行了优化分析，为双稳态发电机的设计提供了较好的参考。.（二）基于双稳态振动发电机的拓展结构研究。探索了屈曲梁的集总参数等效模型，并以屈曲梁为基础，开展了阵列拓展结构的相关研究，并引入了弹性支撑这一变量进行深入分析，提出了一种新型的扭转和平动双重耦合的双稳态阵列发电机（DBB-TTC），同时具备扭转和平动耦合，使得组成阵列的两个发电机具备一定的自动同步机制，获得稳定高能轨道，大幅改善了性能，实现了带宽的增加和功率的提升。并进一步讨论了平动耦合、扭转耦合的效应在不同弹性支撑刚度下对于DBB-TTC这一拓展结构的影响，展示了DBB-TTC结构同时具备扭转和平动耦合的优越性。.（三）接口电路的配合使用。研究了同步开关电感回收电路SSHI和优化同步电荷提取电路OSECE，建立了其自供电电路的更加精确的模型，并发展提出了自适应的机械开关回收电路，在减少电子元件的同时获得了更好的功率输出。.通过上述研究内容的深入执行和探索，本项目在发电机结构和接口电路都提出了一种新设计和新思路，为宽带振动能量收集提供有益的参考，也进一步推动了振动能量收集在物联网中应用，较好的完成了项目的预定目标。..通过上述研究内容的深入执行和探索，本项目在发电机结构和接口电路都提出了一种新设计和新思路，为宽带振动能量收集提供有益的参考，也进一步推动了振动能量收集在物联网中应用，较好的完成了项目的预定目标。