集成化压电宽频振动能量高效采集的关键技术研究

In order to resolve the efficiency problem of the piezoelectric vibration energy harvesting system caused by the narrow frequency range, this project study on the key technology of piezoelectric energy efficient harvesting from the system coupling modeling, broadening the frequency and the circuit optimization, etc. The study content includes:1）Based on the study of the system coupling mechanism, the coupling system transfer function and state space structure model are established, and a new online system identification method based on inverse piezoelectric effect is proposed to identify the specific parameters of the coupling system model. 2）A new method of adjusting the parameters of the coupling is proposed to adjust the system resonance frequency based on the system coupling model, it can realize the system frequency automatic matching with the environment vibration, and keep higher harvesting efficiency within the wide range of vibration frequency. A switching delay adjustment method is adopted to improve the harvested power at off-resonance. 3）A new Multi-Shot extraction method is proposed to reduce the energy storage component size and the time-sharing element multiplexing method is used to reduce the energy storage component quantity, to realize the miniaturization and integration of the system. 4）Efficient circuit design method is studied through the self-powered technology, management method of energy conversion, low power consumption and wide operating range technology. The project provides a theoretical basis and key technology for integrated piezoelectric broadband vibration energy efficient harvesting system. It will be important for further development of new energy utilization.

针对频带过窄所造成的压电振动能量采集低效率问题，本项目从系统耦合建模、拓宽频率和电路优化等方面开展压电能量高效采集的关键技术研究。研究内容包括：1）通过对系统耦合机理进行深入分析，研究构建耦合系统的传递函数和状态空间结构模型，为了获取耦合系统模型的具体参数，本项目提出了一种基于逆压电效应的在线系统辨识方法；2）基于系统耦合模型，本项目提出一种耦合系数调节法来调整系统的谐振频率，实现系统与环境振动频率的自动匹配，使之在较宽的频带内保持较高的采集效率，采用开关时序调整法实现谐振特性的宽频优化；3）本项目提出了一种多节拍能量提取方法与元件分时复用方法，该方法能够减少储能元件体积和数量，实现系统的微型化与集成化；4）从自供电技术、能量转换管理方法、低功耗和宽工作范围等方面研究高效采集电路设计方法，为实现集成化压电宽频振动能量高效采集系统提供理论依据和关键技术，推动新能源开发利用具有重要的意义。

随着集成电路技术、传感技术、无线通讯网络和高性能微处理器的高速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN) 的应用日趋广泛。目前供电使用的电池具有体积大、续航能力有限、定期更换困难和污染环境等缺点。从工作环境中采集能量转化为电能为WSN供电已经成为当前的一个研究热点。其中，压电振动能量采集技术因其高效能量转换率、换能器结构简单、自身不发热、不会产生电磁干扰、易于集成化与微型化等诸多优点而备受青睐。针对频带过窄所造成的压电振动能量采集低效率问题，本项目从系统耦合建模、拓宽频率和电路优化等方面开展压电能量高效采集的关键技术研究。主要研究内容包括：1) 通过对系统耦合机理进行深入分析、研究构建耦合系统模型，为了获取耦合系统模型的具体参数，本项目提出了一种压电换能器谐振状态的在线系统辨识方法与电路，并设计了一种新型的能自动调节共振频率和带宽的压电俘能器；2) 基于系统耦合模型，本项目采用耦合系数调节法、动态调节悬臂梁质心位置发来调整系统的谐振频率，实现系统与环境振动频率的自动匹配，实现谐振特性的宽频优化使之在较宽的频带内保持较高的采集效率；3) 采用多压电片、多节拍开关提取电路能量提取方法与元件的分时复用方法，将开关时序的调节转换为同步开关时序的相位滞后的调节，实现了新型的低相位滞后的同步电荷提取电路，并对接口电路进行了芯片流片测试，该方法能够减少储能元件体积和数量，实现系统的微型化与集成化；4) 从自供电技术、能量转换管理方法、低功耗和宽工作范围等方面研究了准最大功率点跟踪（qMPPT）技术的高效采集电路并进行了实现；5) 从多压电换能器、多源同时协同俘获能量等方法拓宽环境振动能量采集频率范围和效率。本项目为实现集成化压电宽频振动能量高效采集系统提供理论依据和关键技术，推动新能源开发利用具有重要的意义。