压电式能量收集器中能量提取电路的研究进展

骆 懿， 梅开煌

(杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

从能量的捕获角度来说，收集振动能主要有4种方式:静电式、电磁式、摩擦起电式以及压电式[1～8]。由于压电式能量收集器不仅具有可将振动机械能直接转换为电能的特点，而且具有结构简单、不受电磁干扰、绿色环保、易于集成化、可在温度适当和外界所加振动应力合适的环境中永久使用、能量密度高等优点[9，10]，因此,压电式能量收集器受到广泛关注。然而，大多数压电式能量收集器收集到的能量有限，一般最终可以被使用的能量只有几十微瓦到几毫瓦[11]。为了改善能量收集器输出功率较低的情况，国外有研究人员提出了使用基于非线性振动的压电式能量收集器增加其输入能量[12～14]，虽可提高能量收集器的输出功率，但改善的程度并不明显。与此相对应的是，如果在压电式能量收集器中使用非线性的能量提取电路，将使收集器的输出功率得到大幅度的提高[15]。

本文首先分析了压电元件振动产生电能的原理；然后以压电式能量收集器中能量提取电路为聚焦点，详细介绍了近年来，国内外在压电式能量收集器中关于能量提取电路的研究动态，并对其研究方向和研究趋势进行了展望。

1 压电振动产生电能原理

1.1 传统单悬臂梁式压电振动能量收集器等效模型

在当今众多的压电式能量收集器中，单悬臂梁式压电能量收集器由于其构造简单而被深入研究，积累了相当丰富的资料，其压电元件的机电耦合模型可被看作一个简单的自由度弹簧—质量块模型[16]，其压电振动发电模型及等效模型如图1所示。

图1 单悬臂梁式压电振动能量收集器模型及其等效模型

外部振动结构因振动产生的机械能只有一部分转换为电能，其余则转换为弹性势能、动能以及机械损失

(1)

式中M为系统在共振状态下的等效机械质量；KE为压电元件的模态刚度；C为系统振动时的阻尼系数；Kp为短路时压电元件呈现出的刚度；U为质量块在振动时发生的位移；V,I分别为压电元件振动时两端的输出电压以及电流；F为外部振动结构作用在压电元件上的应力;FP为压电元件因逆压电效应而作用在外部振动结构上的应力；α和CP分别为压电元件的应力因子和钳位电容。

外部振动产生的机械能经压电效应转换为电能部分的能量

(2)

1.2 压电元件机电耦合电路等效模型

Hofman N H等人[17]研究指出压电元件呈容性，在电路结构上，压电元件的等效电路可被看作是由一个正弦电流源Ip、压电元件内部的钳位电容器Cp和一个阻值极大的电阻器Rp并联组成，其等效电路如图2所示，其中,K为压电元件振动时机械刚度。

图2 压电元件机电耦合电路等效模型

2 压电式能量收集器的能量提取电路

由上述可知,压电式能量收集器内的压电元件在压电效应下输出交流信号，但传感器网络节点往往需要稳定的直流电为其供电，所以需要通过整流电路进行电流转换[18]，将压电元件输出的交流电整流为直流电的电路称为能量提取电路。其作用:1)将在外界振动作用下压电元件产生的交流电转变为直流电；2)确保压电元件产生的电能可以被高效地提取出来，以便为能量提取电路的后端负载的正常工作提供必要的功率；或者存储压电元件产生的电能。

2.1 传统的能量提取电路

传统的能量提取电路(SEH)结构十分简单，其基本思想是直接将压电元件输出的交流电经过由4个二极管组成的全桥整流器整流，实现直流电的获取[19]。在电路组成上，SEH包含4个二极管以及一个滤波电容器C，其容值一般较大，既能保证后端输出的电压波形足够平滑，又能确保该电容能存蓄更多的能量。传统能量提取电路如图3所示。

图3 传统能量提取电路原理

在图3中，电阻器RL可看作是压电式能量收集器的等效负载，即RL消耗的功率完全来自于能量提取电路传递的功率。电容器C除了滤波外，还有储能作用。假设单悬臂梁压电式能量收集器发生振动时，机械结构位移U的波形为正弦波，则该能量收集器的压电元件两端输出的开路电压波形也是正弦波。当电路正常工作时，压电元件两端的输出电压V及流出电流I与机械结构位移U变化之间曲线关系如图4所示。

图4 传统能量提取电路工作波形

分析图4知，V与U的变化趋势基本一致。当U较小时，V小于整流二极管的导通压降VDC，此时整个电路处于断路状态，压电元件无电流流出;U增大到一定程度时，致使V大于二极管的导通压降VDC，此时二极管导通。由于整流二极管的钳位作用，在二极管导通的整个阶段内，V不变，但压电元件两端产生的交变电流经全波整流与滤波后，以直流电压的形式存蓄在电容器C上；由于压电元件产生的能量逐渐转移到储能电容器C中，因此，压电元件流出的电流逐渐减小。当U到达最大值时，压电元件两端产生的电能最大，能量提取电路回收到C上的电能也最多，所以,此时压电元件流出的电流几乎为零。此后V随U减小而减少，从而致使二极管再次处于截止状态。直到压电元件两端电压的绝对值再次大于二极管的导通压降VDC时，能量提取电路则开始下一次能量提取过程。

传统能量提取电路从压电元件两端提取到的功率受后端负载影响非常大，只有当后端负载的等效阻抗达到最佳值时，传统能量提取电路提取到的能量才能达到最大值[20]。然而,在实际应用中，负载阻抗大小往往并不能灵活地调整，导致在实际应用中传统能量提取电路提取能量效率很低。

Huang H H等人[21]采用SEH 电路对以PVDF柔性薄膜为压电元件制作的单悬臂梁式的压电能量收集器进行了实验研究，表明:当能量提取电路的滤波电容值为10μF，负载阻抗为10MΩ，悬臂梁振动频率与系统谐振频率均为25Hz时，测得输入到负载的最大功率为0.13μW,负载两端的峰值电压为1.8V。

2.2 降压式DC-DC能量提取电路

虽然SEH能将压电元件两端产生的交流电变换为直流电，但变换后的电压大小仍无法得到有效控制，并不能直接适应为低功耗的无线网络节点传感器的供能。因此，为了获得所期望的输出电压，在SEH的滤波蓄能电容器与负载之间加入DC-DC式的降压变换电路，构成降压式DC-DC能量提取电路(DC-DCSDEH)[19],如图5所示。

图5 降压式DC-DC能量提取电路原理

图5中的DC-DC降压电路在DCM模式下工作，主要作用为调节经全波整流后电压的大小，把整流后的高电压小电流电信号经过DC-DC降压电路变换为低电压大电流的电信号。

DC-DCSDEH主要工作原理是通过调节降压式DC-DC电路的占空比和开关频率，来确保滤波电容器Cr两端的电压稳定在整流电路输出电压的最大值处。

Lesieutre G A等人[22]对DC-DCSDEH应用在单悬臂梁式压电能量收集器中作了深入了研究，实验表明:当激励源悬臂梁振动频率为53.8Hz，降压式DC-DC电路的开关频率约为1000Hz时，能量提取电路的最佳占空比约为2.8%；当压电元件在悬臂梁的激励作用下输出的电压为48V时，使用DC-DCSDEH从压电元件两端提取到的能量是使用SEH提取到能量的3倍。

DC-DCSDEH最大的缺点是降压式DC-DC电路的开关控制需要借助外接电路实现，而外接电路的供电往往需要使用化学电池，这与压电式能量收集器节能环保的理念相悖。因此,如何在能量提取电路中引入开关控制电路，并用能量收集器自身收集到的能量为开关控制电路供电，成为了关注的重点。

2.3 同步电荷提取电路

为了改进SEH从压电元件两端提取到的能量受后端负载阻抗的影响十分明显的缺陷，Lefeuvre E等人[23]在SEH的基础上进行了改进，提出了同步电荷提取电路(SECE)，具体电路原理如图6所示。

图6 同步电荷提取电路原理

该电路实现的基本思想是通过开关S的闭合，周期性的将累积在压电元件上的电荷传递到后端的蓄能电容器或负载上。SECE在工作时具有以下2个特点:

1)SECE转移压电元件两端产生的电能的时刻与外界激励源的振动周期同步。

2)压电元件只有在极少部分时间内处于与后端能量提取电路连通状态，大部分时间内保持开路状态。

当压电元件振动位移达到最大值时，此时压电元件两端产生的电压也到达峰值，此时立即闭合开关S，压电元件上积累的能量经过全波整流桥后转移到电感中；当压电元件上累积的能量全部输入到电感上时，再将开关S断开，等待下一个能量提取周期的到来。在开关S闭合时，电感和压电元件内部的钳位电容器CP发生高频LC振荡，在经过1/4个LC振荡周期后，压电元件上累积的电荷被全部转移到电感上。在二极管的续流作用下，电感上存储的能量被逐渐传递到储能电容器Cr内。

虽然SECE输出的功率不受负载的影响，即对任何负载均具有相同的输出功率。但是SECE对开关的闭合控制要求非常高。为了不影响后续时刻压电元件上电荷的积累，开关S的闭合时间往往只有数毫秒甚至更少，远远小于压电元件的机械振动周期。这也意味着电感的充电时间非常的短，因此，需要选择合适的电感来确保压电元件内部的钳位电容器CP与电感的振荡周期足够小。

Lefeuvre E等人[23]对SECE输出的最大功率进行了相关研究，研究表明:在同等条件下，与SEH的最大输出功率相比，SECE的最大输出功率是其4倍。

该能量提取电路的最大优点是输出功率与负载无关，不足是对开关的闭合控制要求很高，若不借助外界辅助控制电路，很难实现。

2.4 串联同步开关电感电路

结合SEH与SECE能量提取电路，Lefeuvre E等人[23]提出了串联同步开关电感能量提取电路(S-SSHI)。该电路的主要特色是在压电元件与4个二级管构成的整流桥之间串联一个开关S以及一个电感器L，具体电路如图7所示。

图7 串联同步开关电感能量提取电路原理

该电路中L和S的作用是实现压电元件两端输出电压极性的快速翻转，既可以有效地增大压电元件的开路输出电压，又能增加一个周期内提取能量的时间。与SECE的工作过程类似，当在外界振动激励源的作用下，压电元件的位移达到峰值时，闭合开关S，压电元件内部的钳位电容器CP与电感器L形成一个振荡电路，经过1/2个LC振动周期后，压电元件上能量完全被转移到后端的储能电容器Cr中，再立刻打开开关S。在开关S打开的极短时间内，压电元件两端电压的极性完成翻转，一个能量提取周期完成。

2.5 并联同步开关电感电路

与S-SSHI对应的是并联同步开关电感电路(P-SSHI)[24]，与S-SSHI不同的是，该能量提取电路是在压电元件与整流桥之间并联一个电感L与开关S，具体电路如图8所示。

图8 并联同步开关电感电路原理

并联同步开关电感能量提取电路的工作过程与S-SSHI基本一样，不过两者实现的功能完全不同。从能量收集的角度来说，压电元件在外界振动激励源的驱动下，致使其振动方向发生改变，从而一方面导致压电元件两端输出电压发生改变，另一方面致使压电元件阻尼作用的时间增加。在这两方面的共同作用下，最终促使压电元件输入给后端负载的功率增加。

Lefeuvre等人[22,23,25～27]通过实验对S-SSHI以及SHE,SECE,P-SSHI电路的能量提取效率作了较详细的比较研究,发现:在同等大小的力激励作用下，电路最大输出功率相等。在同等位移激励作用下，S-SSHI/P-SSHI电路回收到的电能较SEH电路回收的电能高14倍，较SECE电路回收的能量高2倍左右。

虽然在相同条件下，S-SSHI/P-SSHI电路的最大输出功率相等，但S-SSHI电路更适合应用在负载阻抗较小的压电式能量收集器中。

2.6 双同步开关电感电路

为了实现能量提取电路既能保持高的能量提取效率，又能保证它的输出功率不受后端负载影响，Lallart M等人[28]结合S-SSHI与SECE电路提出了一种新的能量提取电路，即双同步开关电感电路(DSSH)，具体电路如图9所示。

图9 双同步开关电感电路原理

该能量提取电路由两部分组成，前面一部分由电感L1、开关S1、全波整流桥组成，可以看作是SECE电路；后面一部分由电容器Cr、开关S2、电感L2、续流二极管D 组成的一个Buck-Boost开关变压电路。

可以结合SECE与S-SSHI电路的工作过程分析双同步开关电感电路的工作过程。在外界振动激励源的作用下，压电元件的振动位移达到峰值时立刻闭合开关S1，此时压电元件内部钳位电容器Cp与电感L1发生振荡，经过1/2个LC振荡周期后，压电元件上积累的电荷全部转移到中间储能电容器Cr内。转移完成后，立刻将开关S1断开，再马上将开关S2闭合，这时整流桥后面的Buck-Boost开关转换器进入工作状态，历经1/4个LC振荡周期后，电容器Cr储存的能量完全转移到电感L2上。

Lallart M等人[28]通过研究发现:当压电元件的振动位移幅值在2mm时，DSSH电路的平均输出功率至少较SEH电路的平均输出功率高4倍,较SECE电路高50%左右。同时，Buck-Boost开关电路的转换效率高达90%左右。

2.7 自供电的能量提取电路

前文所述的各种开关式的能量提取电路虽然能量回收效率较传统能量提取电路有所提高，但实现都对开关闭合控制的要求非常高，往往需要借助外供电的DSP控制系统才能实现电路的正常工作。但辅助电路自身的功耗也需要考虑，甚至有可能超过能量收集器从环境中回收的能量。为了解决这个问题，提出了利用能量收集器收集到的能量为开关控制辅助系统供电的能量提取电路，即自供电的能量提取电路。

Shi G等人[29]在SECE电路的基础上，提出了一种自供电的同步电荷提取电路SP-OSEC。该电路使用两个无源峰值检测电路对压电元件两端电压的极性进行检测和对压电元件上累积的电荷进行提取，具体电路如图10所示。

图10 自供电的同步电荷提取电路

电路由电容器C1、晶体管Q3，二极管D4,D5组成正峰值检测电路，电容器C2,晶体管Q1，二极管D4,D5组成负峰值检测电路，峰值检测电路与前文提及的各种能量提取电路结构中的整流桥电路元件复用。晶体管Q2,Q4实现开关S1,S2的功能。当Q1,Q3截止时，下拉电阻器Rpd1,Rpd2用来确保晶体管Q2,Q4的基极接地。

该电路的工作过程可分为4个阶段:

1)自然充电阶段:在外界振动激励源的作用下，压电元件发生位移，压电元件的钳位电容器Qp上开始积累电荷。当Qp两端电压大于晶体管Q1的基射极导通电压和二极管的导通压降时，电容器Cp上积累的电荷开始向电容器C1转移。压电元件的位移达到最大值时，Cp,C1两端电压也达到最大值，此时,压电元件没有电流流出。

2)电流反相阶段:随着压电元件的反向运动，Cp上电压因反向充电而减小。在二极管D4,D5的反向截止作用下，C1上电压不会减小而导致Cp与C1上出现电压差。当Cp与C1上的电压差大于晶体管Q3基射极导通压降时，Q3导通。

3)能量转移阶段:晶体管Q3导通后，晶体管Q4也随之导通。此时电感L与Cp发生振荡，经1/4个LC谐振周期后，Cp上累积的电荷全部被转移到电感L上。当压电元件上累积的电荷全部转移到L上时，晶体管Q3,Q4截止。

4)电感续流阶段:晶体管Q3,Q4截止后，在二极管的续流作用下，L上存储的能量被转移到Cr上，以便为后端负载供电。

Shi G等人[29]通过实验对该电路的能量回收效率进行了研究，表明:电路的能量回收效率大于80%，最高可达到85.1%，SP-OSEC电路的输出电压最高达到30V。

3 对各种能量提取电路的分析

压电元件的机电耦合系数、能量提取电路能输出低电压、能量提取效率是否受负载的影响、能量提取电路实现的难易程度、开关控制电路自供电等因素对能量提取电路的设计具有重要的参考价值[30]。表1对前文提及的7种不同形式的能量提取电路进行了对比分析。√表示对该种情况的适宜度友好;×表示对该种情况的适宜度不友好;-表示对该种情况的适宜度一般。

表1 能量提取电路的分类表

为了压电式能量收集器能在实际中得到广泛地应用，能量提取电路的易实现性、与负载无关性是必须解决的问题。而设计出能自供电的能量提取电路对提高能量的回收效率有重要的意义，是目前各国关注及研究的重点。

4 结 论

对压电式能量收集器中的能量提取电路的当下相关研究动态和研究进展作了较为合理的分类和详细的阐述。并对当前各种压电能量提取电路的适用环境作了分析，总结出未来能量提取电路的研究趋势及方向。可以看出:设计可自供电并且适于不同工作环境的能量提取电路，对压电式能量收集器的进一步发展具有重要的作用。压电式能量收集器作为一种长寿命、清洁无污染的能源，在可预见的将来有望成为化学电池的替代品，在微机电系统以及各种低功耗的无源传感器中获得广泛应用。

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