悬臂压电发电机及其功率调节系统协同设计

振动机械能是一种较普遍的能源形式。利用压电效应可以把环境中的振动机械能转换为电能，具有这种能量转换功能的换能器，被称为压电发电机。利用常规压电材料作电源需要一个外接功率调节系统完成电荷的积累和能量管理并实现电荷的释放供随后负载使用，本项目将协同设计原理应用于压电发电电源系统，以悬臂压电陶瓷-金属层叠机构为悬臂压电发电机，研究发电机的工作原理，结构尺寸及其工作参数，分析发电机和与其相容的外接功率调节系统之间的阻抗匹配关系，研究功率调节系统的拓扑结构及高效的储能控制策略，用协调设计和试验设计的方法优化由悬臂压电发电机和外接功率调节系统的构成和参数，以大幅度地提高压电发电机将低频振动机械能转换输出为电能的效率和利用率,实现能量输出的最大功率点跟踪，并研制出一套具有自主知识产权的压电发电电源系统。.项目研究成果可用于研制高效转换低频振动机械能的压电电源系统，以满足超低功耗无线元器件的电源需求。

振动在周围环境中无处不在，振动机械能是一种较普遍的能源形式，广泛存在于楼宇、桥梁、车辆、船舶、飞行器、机电设备等各种生产和生活设备。另一方面，一些超低功耗装置（微瓦级）开始出现而且其数量与日俱增。例如：无线传感器网络、嵌入式系统、射频识别(RFID)、无线通讯等技术发展迅速，它们在工业控制与监测、电子消费、军事领域、交通管理、商业、智能农业、环境监测、医疗健康监测、空间探索等领域有着潜在和广泛的应用前景。. 由于具有压电效应我们可以利用压电材料构成把环境中的振动机械能转换为电能供负载使用的换能器件，具有这种能量转换功能的换能装置，被称为压电发电机。本项目重点研究了以悬臂压电陶瓷-金属层叠结构为振动能-电能转换元件的振动发电微功率电源系统；对这种压电复合换能结构的力-电输出特性及其电功率等进行了理论分析、仿真研究与实验验证；对其在受基础简谐激励下的受迫振动工作性能进行理论分析、仿真研究与实验验证；完成悬臂压电复合发电元件阻抗特性理论分析、实验测试分析，得出悬臂压电陶瓷-金属层叠结构振动状态下的导纳表达式，可用于分析压电振动发电器件的结构参数、材料参数与器件导纳特性的关系，可用于了解分析器件的品质并用于构建振动压电发电元件的工作模型及计算机仿真模型；开展系统设计与性能分析，设计不同的与压电振动发电元件相配的外接功率调节电路拓扑结构及参数，探索能量输出的最大功率点跟踪的实现方法。. 项目研究成果可用于研制高效转换低频振动机械能的压电电源系统，以满足超低功耗元件装置的电力需求。振动驱动的压电发电机有望成为在振动环境中工作的超低功耗电子器件的供电装置,有进一步的工作要做进一步的研究。项目组将继续对相关工作更深入的研究，助力压电发电系统的实际推广应用。