压电俘能技术的应用研究与展望*

涂宇，雷先华，朱石沙

（1.湖南交通工程学院交通工程系，湖南 衡阳 421000；

（2.湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105）

压电俘能技术的应用研究与展望*

Application and prospect of piezoelectric energy harvest technology

涂宇1，雷先华1，朱石沙2

（1.湖南交通工程学院交通工程系，湖南 衡阳 421000；

（2.湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105）

现代科技高速发展以及传统供电方式的诸多弊端，使微电子器件、无线传感器网络以及MEMS等低功耗系统的应用日益广泛，加速了对结构简单、能量密度大、易于微型化以及绿色环保等优点的压电俘能技术的研究。综述了近些年压电俘能技术在采集电路和俘能装置设计两方面的理论研究和应用成果；简单介绍了压电俘能技术在电流变和微机械领域中的工程应用；最后，展望了压电俘能技术可持续开展的工作。

压电俘能技术；时均流；电流变液；微机械

压电俘能技术是指将其他存在形式的能量通过压电体的正压电效应转换成可利用的电能，实现能量的回收利用。能源危机一直以来倍受关注，如何将分布在环境中的能量回收利用是关于绿色能源的新战略性发展理念。环境中分布着大量的机械振动能、风能、水能等形式的能量，目前回收这些能量的方法有压电式、电磁式和静电式，而具有结构简单、不受电磁干扰、能力密度大和绿色环保等优点的压电俘能技术最引人注目。

压电振子结构是直接影响压电俘能装置转换效率的关键元件，主要有悬臂梁—质量块型，Cymbal型和堆栈型等。悬臂梁—质量块型结构相对于典型的悬臂梁型具有频带宽、转换效率高；Cymbal型结构适合应用于振动冲击大、频率低的场所；堆栈型结构具有输出电压大、承受力大、可通过电路优化电流输出特性等优势。压电俘能装置的另一个重要指标即有效带宽，设计者想出了各种方法来扩宽带宽和提高转换效率。B. Andò[1]通过在压电俘能系统中引入非线性磁力能有效地提高装置的带宽和转换效率。Miah A[2]通过对压电振子结构的独特设计达到改变其固有频率和采集效率的目的。在如何利用回收能量的方面，Anthony N[3]利用压电俘能技术所收集到的能量实现了无线传感器的自供能。国内的蒋学争[4]等利用压电俘能技术所收集到的电能为电/磁流变减振器供电，实现了电控阻尼减振器的自供能。近些年来，压电俘能技术在压电振子、采集电路和工程应用等方面都取得了很大的成果[5]。

1 压电俘能技术的研究动态

1.1 压电采集电路

压电体的电学模型可等效为正弦电流源Ip(t)和极间等效电容Cp的并联。当振动能传递到压电体时，因正压电效应将在材料内部产生交流电压，电荷未能及时转移时，因逆压电效应将产生阻碍压电体进一步变形的反作用力，因此压电体上的电荷要及时采集，以提高能量俘获效率。标准的采集电路(SEH)效率非常低，为了提高采集效率，研究者在标准采集电路的基础上开发了四种同步电荷提取电路，即同步电荷提取电路、串/并SSHI电路和SECE电路，如图1。同步电荷采集电路通过使压电元件上电荷的提取与振动系统同步来达到能量转换的最大化。实验证明四种采集电路转换效率在同等条件下较标准电路都有显著提高。

图1 四种电荷提取电路

在转换效率方面同步电荷提取电路虽然都有很大提高，但同步电荷提取电路控制开关的通断需要额外的信号检测与控制电路，同时也需要外源电路来严格控制开关转换与振动源的同步。Junrui Liang[6]在对SSHI电路研究时发现同步电荷提取电路的峰值检测和控制开关通断的实现需要具有外部电源的位移传感器和数字控制器，于是利用压电陶瓷本身就可作为位移传感器的这一特性，设计了一种自供能SSHI采集电路（SP-SSHI），将产生的转换信号通过晶体管来实现控制开关的通断，可摆脱对额外的信号检测与控制电路的依赖。

一般压电体所受的外力都不稳定，所以产生的交流电压也不稳定，不能直接为负载元件提供电能。因此，在压电发电系统与负载元件之间需要加入整流电路，完成AC—DC的转换，而整流电路自身损耗则是衡量电路效率的重要因素。Han[7]提出了一种同步整流电路，电路采用了具有功耗低，性能好的MOSFET管。此电路与采用二极管的整流电路相比具有正向压降小，反向电流小，整流损耗小等优点。而在进一步整流电路的研究中Djordje等[8]提出了另一种新型有源和无源整流合成电路，采用了基于最优的同步整流设计以及一个新型触发电路，如图2。通过实验和仿真发现虽然解决了微功率发电机产生的电压与二极管压降相当这个问题，但电路因缓冲电容太小而不能为有源整流提供足够的电压以及基于二极管的无源整流系统无法启动系统等不足。

图2 新型有源和无源整流合成电路

上述整流电路虽然确保了电压的方向，但电压和电流仍然存在着瞬时突变。这样很容易损坏对电压和电流要求稳定的负载元器件，因此所采集到的电能需进一步进行DC—DC转换。为解决上述问题研究者提出了一种自适应压电能量采集电路，此电路包括一个全桥整流桥和Buck转换器。实验表示在高激励的条件下相比与无DC—DC转换器的电路功率转换提高了近四倍。

1.2 压电俘能装置

国内外关于压电俘能装置的结构设计和性能研究的文献颇多，相应的压电振子结构更是新颖。研究者针对环境中不同的能量形式，设计各种相应的专用压电俘能器，不仅能大幅度提高俘能效率，而且还有利于装置的简化和集成。新设计的俘能器不断向频率可调、转换效率高、多功能以及微型化等方面转变。

在如何收集利用环境中相对较多的风能、水流动能等具有显著动能的单向流动时均流时，Tam[9]设计了一种利用卡门涡街压力脉冲的小型气动发电机，如图3。当压力脉冲振幅70 Pa和频率872 Hz时，开路输出电压可达14 V。Bressers[10]设计一种无接触式的新型风机俘能器，通过磁体之间的引力和斥力驱动压电双晶梁振荡发电，该风机俘能器具有临界启动风速低，运行寿命长等优点。而美国的Pennington海洋能研究组设计了一种利用水能驱动压电变形的发电器，主要可为河流中的无线传感检测网节点提供电能，加快了科学研究进步的脚步。有关时均流能量俘能器的结构设计很多，但大部分都采用的是风机式或者腔体式，采集效率偏低。

图3 卡门涡街气动发电机

图4 波纹形压电弹簧振子

在如何收集车辆、桥梁、机械等结构的振动噪声能方面时，因此种振动噪声能普遍存在而且能量密度大，且具有振动多频特性和多方向性。研究者采用两片相互垂直的悬臂梁—铁磁块型压电片设计了一种二维、宽频带、双稳态的悬臂梁—磁铁式压电俘能装置。此装置可同时采集Y—Z（2D）方向上的振动能量，不仅能很好的适应环境中振动能量的无规律和多方向性，还能在较宽的激励频率下产生较大的响应。而R.L. Harne[11]研制的一种由波纹形压电弹簧制作的动态吸振器，图4为吸振器的压电振子结构，此吸振器工作时不仅可以回收振动能量还能实现对振动的控制，实现多目标的工程应用。

而在如何收集利用日常活动中的能量时，新设计的俘能器为日常生活以及科学研究提供诸多方便。如利用PVDF设计的压电俘能器，为人体骨骼应变监测器上的通讯设备提供了电能；Kimura[12]等用压电晶体板的振动发电为迁徙候鸟的位置跟踪传感器提供电能。此种有利于日常生活和科学研究的俘能器很多，如可常用于野外军事活动的压电发电鞋，把压电俘能器植入鞋跟，将人体行走时的动能转换成电能给通讯设备供电；以色列的世界第一条压电发电道路、伦敦的可发电舞池等都为日益缺乏的能源研究提供了方向。

2 压电俘能技术的应用研究

2.1 电/磁流变液中的应用

具有电响应的电/磁流变材料是智能材料的另一大派系，其刚度、流变性、阻尼等特性可通过施加电场进行调节控制，通常在无电场的作用下，电流变液呈液态，拥有牛顿流体的特性；当施加电场时，所有分散粒子立即被极化并吸引相邻的颗粒以形成链状结构的固体状纤维网络，在毫秒级内表现出从液态状到固态状转变的独特相变。特别在减振或隔振领域中倍受青睐。

在对两大智能材料的结合应用研究中，国内著名的智能材料研究者赵晓鹏率先提出并制作了一种基于电流变液和压电陶瓷复合的自耦合阻尼器.此耦合阻尼器利用压电陶瓷形变产生的高电压去激励电流变液，实现电控阻尼减震器的自供能。蒋学争[4]设计了一种基于压电陶瓷自供能磁流变减振器，并设计了转换调理电路，如图5。实验证明利用基于压电材料的俘能装置为磁流变液减振器供电是可行的。在电/磁流变液减振领域中应用压电材料实现供电，不仅可以简化减振器的结构设计，还能提高电/磁减振器自适应环境的能力。

图5 压电陶瓷自供能磁流变减振器原理图和实物图

2.2 微机械中的应用

微型机械结构可替代人类进入狭窄或危险空间完成检测和维修作业，具有广泛的应用前景。而压电材料制作的驱动器结构紧凑，能量密度大以及频响快，是微小型机器人较理想的驱动方式。但制约压电驱动器应用于微型机械结构中的两大挑战是在系统中能否用驱动电路将低电压能量源转化成高电压驱动信号和能否从压电驱动器中回收未利用的能量。基于两大挑战，Michael Karpelson[13]等对微型机械结构中合适的高电压驱动电路的拓扑结构、控制方法、磁性元件的质量以及电路集成技术进行了优化，并物理实例化这些拓扑结构，制作了极致轻薄的磁性元件，用超低功率集成电路实现了驱动电路的控制功能，这些驱动电路原理和建立的模型的数据显示能够满足微机械结构严格的质量和能量需求，如图6。

图6

3 压电俘能技术的总结和展望

在纳米技术、微机械加工技术、大规模集成电路制作技术的迅速发展下，压电采集电路在提取电路、整流电路以及DC—DC转换电路等方面的研究取得了显著成果。采集电路的研发设计一般遵循的原则是降低功耗和提高电荷提取效率，根据现有电路研究中出现的负载匹配、同步开关控制、损耗过高等问题的基础上，后续电路的研制可向以下方向进行：一是完善采集电路中的提取电路、整流电路以及DC—DC转换电路的设计准则，研制低功耗实用化的集成芯片来提高转换效率；二是开发采集电路中的软开关技术，降低电路的复杂程度，提高电路的自适应能力。三是研制出提取电路、存储元件和电源管理电路一体化的集成能量储存装置，不仅减少充电时间还能提高电能利用效率。

目前压电俘能器只能产生微瓦到毫瓦级的功率,却足以满足广泛应用的微功率电子器件以及MEMS等低功耗系统的供电要求。后续压电俘能器的研究可向以下方向进行：一是在结构设计、转换效率、可调频宽等方面对目前所设计的二维或三维压电俘能器进行改进。二是研制一款可用于振动控制、能量采集、驱动器、信号发射等多目标工程应用的压电俘能器。三是测取如车辆、桥梁、空调等振动频率，设计出专用压电俘能器。四是将压电采集电路、电源管理电路以及负载等构造成一个自治系统，并将其应用于实际工程中。

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(P-01)

TM384

1009-797X (2015) 24-0115-05

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.046

涂宇（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向为工程机械电液控制系统、轿车自动变速理论与控制。

2015-11-19

湖南省教育厅科学研究一般项目基于灰色预测的CVT起步离合器结合压力的控制技术研究（15C0496）。