基于电磁和压电复合式振动能量收集的电动汽车传感器自供电技术研究

Electromagnetic and piezoelectric hybrid vibration energy harvesting technology is a hotspot in the field of vibration energy harvesting. Currently there are some shortcomings that are difficult to resolve, such as difficult model analysis, system stability and reliability issues. The project intends to further study the electromagnetic and piezoelectric hybrid vibration energy harvesting technology on the basis of the previous research work, and perfect the existing electromagnetic and piezoelectric hybrid vibration energy harvesting theory. The contents include: the establishment of a more accurate model of the system; research the optimization of the mechanical and electrical conversion efficiency; the energy management circuit design; research of the output power optimization method. The research of electric vehicle sensors self-powered technology based on electromagnetic and piezoelectric hybrid vibration energy harvesting will be carried out on the basis of the above-mentioned work, including: methods of adjusting the work frequency and output power; the stability issues of system work frequency and output power, the co-ordination of the work cycle and storage time and device assembly optimization problems. The design methods of application-oriented and design-oriented will be used in this project which aims to perfect electromagnetic and piezoelectric hybrid vibration energy harvesting theory, promote the study of electric vehicle sensor self-powered technology, and has important theoretical significance and practical value.

电磁和压电复合式振动能量收集技术是振动能量收集领域的热点。目前该技术存在的主要不足是模型的分析困难以及系统工作过程中的稳定性和可靠性问题不易解决。本项目拟在课题组已开展的研究工作基础上，进一步研究电磁和压电复合式振动能量收集技术，完善现有的电磁和压电复合式振动能量收集理论,内容包括：建立更为精确的系统模型,研究提高机电转换效率的优化方法,设计高效的能量管理电路,研究系统输出功率的优化方法；在上述工作的基础上拟开展基于电磁和压电复合式振动能量收集的电动汽车传感器自供电技术研究，内容包括：研究实现工作频率和功率可调的方法，研究系统工作频率、输出功率的稳定性问题，工作周期与储能时间的配合问题以及装置的组装优化等问题。本项目拟采用面向应用和面向设计的方法进行研究，研究旨在完善电磁和压电复合式振动能量收集理论，并推动电动汽车传感器自供电技术方面的研究工作，具有重要的理论意义和实际应用价值。

由于独立的振动发电方式对环境中振动能量的收集效率有限，所以国内外的研究学者们将目光投向了将电磁及压电振动发电机理进行结合的能量收集系统的研究，本项目的立意和基本思路是针对电动汽车振动环境，研究电磁和压电复合式振动能量收集及其能量转换技术，以满足车用传感器系统的自供电需要。.本项目的研究内容包括：1、研究电磁和压电复合式振动能量收集系统理论，系统谐振和机电耦合理论，建立反映振动的机械阻尼特性，线圈的电磁阻尼特性，压电片的准确应变分布特性的较为准确的系统振动模型；2、电磁和压电复合式振动能量收集系统机电转换效率优化，研究振子形状、线圈参数、压电片尺寸变化对共振频率及效率的影响，探讨基于共振频率调节来实现对系统整体机电转换效率的优化方法；3、电磁和压电复合式振动能量收集系统能量管理电路设计，研究小功率整流技术，电磁和压电能量转换电路的匹配，设计高效的DC-DC变换电路并分析其工作效率，研究新型能量存储方法并设计高效的能量存储电路；4、电磁和压电复合式振动能量收集系统输出功率优化，分析能量转换电路参数对输出功率的影响，研究减少电路损耗和实现阻抗匹配的方法，提高系统的输出功率，以满足实际应用的需要。.本项目提出了电磁和压电复合式振动能量收集系统的数学模型，建立机电转换效率影响因子模型，搭建了一套电磁和压电复合式振动能量收集平台，通过COMSOL和ANSYS软件对系统进行了有限元分析，对系统的固有频率和结构参数进行了优化，解决了振子形状、线圈参数、压电片尺寸变化对系统共振频率和输出功率的复杂影响问题，设计了一套压电和电磁复合式能量收集装置，在共振频率为18 Hz，加速度为0. 5 g 时，该装置的最大负载功率为3. 75 mW，相比于采用单一电磁技术时的最大负载功率3. 2 mW 增加了17%。项目依托单位成员取得的成果有：授权发明专利2项，实用新型专利6项，申请发明专利4项，发表论文7篇，已录用3篇，已投1篇，其中SCI检索2篇，EI检索6篇，中文核心检索3篇。项目合作单位成员取得的相关成果有：授权发明专利3项，申请发明专利7项，发表论文6篇，其中SCI检索5篇，EI检索1篇。.将电磁和压电复合式振动能量收集技术应用到电动汽车传感器自供电系统，有利于推动电动汽车电子化和智能化的发展。