壓電振動能量收集裝置研究現狀及發展趨勢

劉祥建，陳仁文

(南京航空航天大學 智能材料與結構航空科技重點實驗室，南京 210016)

壓電振動能量收集裝置研究現狀及發展趨勢

劉祥建，陳仁文

(南京航空航天大學 智能材料與結構航空科技重點實驗室，南京 210016)

隨著無線技術及微機電技術的日益發展，以化學電池為主的供能方式的弊端日漸顯露，壓電振動能量收集裝置以其結構簡單、清潔環保及易于微型化等諸多優點而得到了極大重視。從振動能量收集常用的壓電材料及其壓電性入手，從壓電振動能量收集裝置的結構設計和能量收集電路設計兩方面對其進行闡述。在結構設計方面，以壓電振動能量收集結構的方向性和響應頻帶為主線，詳細介紹國內外研究者在壓電振動能量收集裝置結構設計上的變化與創新;在能量收集電路設計方面，以能量收集效率的提高為主線，介紹了電路結構的優化改進。最后，總結了壓電振動能量收集裝置未來的研究趨勢和方向，為從事壓電振動能量收集研究的人員提供參考。

壓電振動能量收集;寬頻帶;多方向;能量收集電路

隨著微機電系統技術和集成電路技術的不斷發展，小尺寸、低能耗的微電子設備的研發取得了巨大進展。而與之相關的微型能源技術的發展卻相對滯后，同時由于化學電池尺寸大、壽命有限和需要更換等缺點［1］，在一些微電子產品中的應用受到了限制，尤其對于目前發展迅速的無線傳感網絡和嵌入式系統，這種缺陷將表現得更加明顯。盡管人們運用微機電系統工藝研制了相應的微能源器件，比如微太陽能電池、微鋰電池及燃料電池等，微太陽能電池雖然可以實現長期供能，但其受天氣、應用場合所限制，而鋰電池及燃料電池能量密度較低、壽命有限，因此，如何實現微機電系統器件長時間的供能已成為人們亟待解決的問題。振動作為自然界常見的現象，由于其幾乎無處不在且具有較高的能量密度［2］，因此對振動能量的轉化及其收集利用的研究在近幾十年逐步興起。

目前，用于實現振動能量收集的裝置種類是繁多的，有電磁式收集裝置［3－4］、靜電式收集裝置［5］及壓電式收集裝置［6－19］等，其中以壓電式收集裝置的研究為最多。因為與其它能量收集裝置相比，壓電式裝置具有結構簡單、不發熱、無電磁干擾、清潔環保和易于微型化等諸多優點。隨著對基于壓電材料的振動能量收集裝置研究的廣泛展開，出現了各種各樣的壓電發電裝置，如懸臂梁單晶/雙晶結構、Cymbal結構、疊堆形結構等。

本文介紹目前振動能量收集常用的壓電材料，并給出了其壓電性的產生機理。以壓電振動能量收集結構的方向性和響應帶寬為主線，詳細報道近幾年來國內外在壓電振動能量收集技術方面的研究動態，給出了其研究趨勢的幾點思考，為從事壓電振動能量收集技術的研究者提供參考。

1 振動能量收集常用的壓電材料及其壓電性

1.1 壓電陶瓷材料

壓電陶瓷經過幾十年的研究，取得了重大進展，已成為國內外最重要的功能材料之一。壓電陶瓷的特點是：壓電常數大，靈敏度高;制造工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達到所要求的性能;成形工藝性也好，成本低廉，利于廣泛應用。壓電陶瓷材料中最常用的為鋯鈦酸鉛，又稱為PZT。雖然PZT型的壓電陶瓷材料應用最為廣泛，但PZT壓電陶瓷較脆，在使用過程中易碎，使得PZT壓電陶瓷片在振動能量收集中不能承受較大的應變。Lee等［20］研究表明，在高頻周期載荷作用下，壓電陶瓷極易產生疲勞裂紋，發生脆性斷裂，這也是壓電陶瓷材料在使用中的一大缺陷。

壓電陶瓷是一種經極化處理后的人工多晶鐵電體，它由無數細微的電疇組成。無數單晶電疇的無規則排列，使原始的壓電陶瓷呈現各向同性而不具有壓電性。為了使之具有壓電性，必須進行極化處理，即在一定溫度下對其施加強直流電場，迫使“電疇”趨向外電場方向作規則排列。極化電場去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極化，從而呈現出壓電性。

1.2 壓電薄膜材料

壓電薄膜材料是一種高分子聚合物。聚合物壓電性的研究始于生物物質，如木材、羊毛和骨頭等，后來擴大到合成高聚物，但由于壓電性不高，均無實用意義。1969年日本的 Kawai報道了聚偏二氟乙烯(PVDF)在高溫高電壓下極化后可產生有工業應用價值的壓電性，使壓電聚合物的研究發生了歷史性的轉折。壓電聚合物的典型代表就是PVDF，PVDF壓電薄膜具有柔性好、機械強度高、聲阻抗易匹配、頻響范圍寬、能抗化學和油性腐蝕等優良特性，且可加工成大面積和復雜形狀的膜使用，為壓電材料的應用開辟了一個新的領域。

PVDF壓電性［21］的起源一直是一個爭議的話題，PVDF是半結晶性聚合物，片晶鑲嵌在非晶相中，且兩者具有不同的介電性和彈性。一般認為，PVDF的壓電性可歸因于以下兩個機理：① 尺寸效應。即假定偶極子為剛性，不隨外加應力變化時，由膜厚變化所引起的壓電性，膜厚度的減小會使膜表面的誘導電荷增加;②結晶相的本征壓電性。結晶相的壓電性由電致伸縮效應及剩余極化所決定，晶區的極化強度對應變具有依賴性，使晶區產生內部壓電性。

2 壓電振動能量收集裝置結構

2.1 單方向、單諧振頻率壓電振動能量收集結構

2.1.1 單懸臂梁結構

在目前提出的眾多的壓電振動能量收集結構中，單懸臂梁結構［22－27］發展最為成熟，無論是在理論研究還是在實驗研究方面，目前已經積累了大量可供參考的成果。這主要依賴于單懸臂梁結構的壓電發電裝置其結構最為簡單。通常，單懸臂梁結構的壓電發電裝置固有頻率較高，而環境振源的頻率一般較低，因此，為了降低單懸臂梁結構振動的固有頻率，通常在懸臂梁末端加裝一金屬質量塊，其典型結構如圖1所示。

圖1 單懸臂梁典型結構示意圖Fig.1 Sketch of piezoelectric cantilever

矩形單懸臂梁結構是目前壓電振動能量收集中常用的結構形式，主要是因為其結構簡單且便于加工制作。同時很多研究者對其它形狀的單懸臂梁結構也進行了相關研究，以期望能夠獲得較高的能量轉換效率。Mateu等［28］對矩形和三角形的單懸臂梁結構進行了對比研究，在懸臂梁固定端寬度和三角形懸臂梁厚度與矩形懸臂梁厚度相等的情況下，在受到相同的載荷作用時，三角形單懸臂梁產生的應變更大，產生的電能更多。因此，得到三角形單懸臂梁單位體積收集的能量比矩形單懸臂梁要多。在國內，哈爾濱工業大學的謝濤等［29］對矩形、梯形和三角形的單懸臂梁進行了研究，研究表明，在相同的外部激勵下，三角形單懸臂梁收集的能量最多，梯形單懸臂梁次之，矩形單懸臂梁收集的能量最少。

2.1.2 圓膜型結構

對于單懸臂梁結構壓電振動能量收集裝置，其承受的壓力或沖擊載荷不能太大，在一些沖擊載荷較大的場合中就限制了其應用。Ericka等［30］設計了一種能夠承受較高載荷的圓盤形壓電能量收集結構，其壓電振子由直徑為25 mm壓電層與圓形銅薄片粘貼而成。實驗研究表明，在2 g加速度、2.58 kHz振動頻率、1 MΩ負載情況下能產生24 V電壓，在相同頻率、加速度條件下，56 kΩ負載情況下最大輸出電能為1.8 mW。

Kim 等［31－32］研究了一種cymbal型壓電振動能量收集結構的發電情況，該結構在壓電圓片兩側分別粘結一個相同的碟形金屬帽，其結構形式如圖2所示。通過實驗研究表明，當壓電片的直徑為29 mm，厚度為1 mm，鋼帽的厚度為0.3 mm，高度為1 mm，空腔直徑為17 mm時，工作頻率為100 Hz，作用力大小為7.8 N時，產生的功率為39 mW。

圖2 cymbal型振動能量收集結構實物圖Fig.2 Cymbal shape piezoelectric vibration energy harvesting structure

2.2 單方向、寬頻帶壓電振動能量收集結構

上述單方向、單諧振頻率壓電振動能量收集結構雖然目前研究得相對較多，但在研究中也發現了其存在的不少缺陷。以單懸臂梁式壓電振動能量收集結構為例，其頻帶寬度為2ξωn(ξ為能量收集結構的阻尼比;ωn為結構振動的固有頻率)，當工作在十幾赫茲的低頻振動環境，阻尼比為0.025時，其頻帶寬度不到1 Hz。而實際振動環境的頻率一般存在一定范圍的波動，壓電振動能量收集結構的頻帶若過窄，將不能很好地滿足實際應用的需求。基于此，如何拓展壓電振動能量收集結構的振動頻帶已成為研究者們著力解決的問題之一。目前，文獻提到的頻帶擴展方法主要有多懸臂梁－單/多質量塊結構、單懸臂梁陣列式結構以及頻率可調式結構等。

2.2.1 多懸臂梁－單/多質量塊結構

多懸臂梁－單/多質量塊結構壓電振動能量收集結構主要是通過使結構某兩階頻率相接近來實現頻帶擴展。于慧慧等［33］提出了一種多懸臂梁－單質量塊壓電振動能量收集結構。其俯視圖如圖3所示，該能量收集結構由三根懸臂梁和一個質量塊構成。實驗研究表明，該壓電振動能量收集結構的工作頻率范圍為113～155 Hz，帶寬達到42 Hz，在100 kΩ 負載情況下，在一階共振頻率下，結構輸出功率為68.91 μW，在二階共振頻率處，輸出功率達到155.71 μW，一階與二階共振頻率之間，最小輸出功率為37.56 μW。

弗吉尼亞理工大學的Erturk等［34－35］研究了一種L型多懸臂梁－多質量塊結構，其結構形式如圖4所示。經過研究發現，傳統的單懸臂梁結構的一、二階固有頻率之間至少相差六倍，而通過優化設計的L型多懸臂梁－多質量塊結構的前兩階固有頻率之間只相差一倍。通過調整結構中懸臂梁的參數，可以使其一階固有頻率與環境振動頻率相同，若環境中振動頻率稍微變大，L型多懸臂梁－多質量塊結構即會發生2：1內共振模式，振動能量在一、二階模態之間傳遞，其振幅甚至比一階共振振幅要大，輸出電能也更大。他們設計的L型多懸臂梁－多質量塊結構的前兩階固有頻率分別為23.8 Hz和46.5 Hz。在前兩階固有頻率太接近時，他們發現當該結構受到與其一階固有頻率相同的外界振動激勵時，L型多懸臂梁－多質量塊結構不如單懸臂梁結構敏感。

圖3 多懸臂梁－單質量塊結構示意圖Fig.3 Sketch of multi－cantileversingle－mass structure

圖4 L型懸臂梁結構示意圖Fig.4 Sketch of L shape piezoelectric cantilever

2.2.2 單懸臂梁陣列式結構

單懸臂梁陣列式結構壓電振動能量收集結構主要是通過設計具有不同諧振頻率的系列單懸臂梁結構來實現頻帶擴展，這樣，即使環境振動頻率發生變化，則該能量收集結構中總會有某些單懸臂梁處于工作狀態。單懸臂梁陣列式結構壓電振動能量收集結構其缺點是在某一頻段只有特定的單懸臂梁處于最佳工作狀態，能量利用率不高。

Shahruz［36］將多個固有頻率相近的單懸臂梁進行組合，研究了一種單懸臂梁陣列式結構的響應頻帶問題，研究的單懸臂梁陣列式結構如圖5所示。Shahruz在研究中建立了單懸臂梁陣列式結構的各階固有頻率的理論分析模型，并利用材料參數等效的方式使之適應于壓電雙晶片懸臂梁結構，通過研究表明，設計單懸臂梁陣列式結構時，為達到擴展頻帶的目的，應該滿足兩個條件：① 結構中各單懸臂梁的固有頻率有細微差別;② 各單懸臂梁頻率響應的無窮范數應基本相同。國內哈爾濱工業大學的袁江波等［37］根據上述理論通過實驗研究了具有8個單懸臂梁的單懸臂梁陣列式結構的響應頻帶，研究表明，根據上述理論所設計的單懸臂梁陣列式結構其諧振頻率的變化范圍為56～72 Hz。

圖5 單懸臂梁陣列式結構示意圖Fig.5 Sketch of multiple piezoelectric cantilevers

2.2.3 頻率可調式結構

頻率可調式結構主要是通過固定螺絲或者其它裝置，在壓電懸臂梁的固定端或者末端施加預應力，從而改變結構剛度，進而改變結構振動的固有頻率。對于這種形式的結構通常比較復雜。

Challa 等［38］提出了一種共振頻率可調的壓電振動能量收集結構，該結構通過在壓電懸臂梁末端設置4塊永磁體，利用永磁體之間力的作用來改變結構的剛度。其結構形式如圖6所示。通過研究表明，該結構固有頻率的相對變化率可以達到±20%，這種采用電磁力的調頻方式的特殊之處在于壓電懸臂梁的固有頻率既可以調大也可以調小。Challa通過實驗研究了一固有頻率為26 Hz的壓電懸臂梁，在壓電懸臂梁末端電磁力作用下，其頻率調節范圍為22～32 Hz，在此頻率范圍內，該結構收集到的能量的變化范圍為240～280 μW。

圖6 頻率可調式能量收集結構示意圖Fig.6 Sketch of resonance frequency tunable energy harvesting structure

2.3 多方向壓電振動能量收集結構

上一節介紹的單方向、寬頻帶壓電振動能量收集結構能夠在較寬的振動頻帶內收集到較多的能量，增強了壓電振動能量收集結構的實用化。但是，壓電振動能量收集結構實際應用中的另一個問題開始引起研究者的關注，即實際振動環境中有些振源的振動方向是變化的，而前面介紹的壓電振動能量收集結構的方向選擇性很強，在這種情況下，勢必會削弱其收集振動能量的能力。方向的選擇性帶來的另一個問題是，在安裝壓電振動能量收集結構時，必須注意環境振動的方向，這有時候需要專業人員才能完成。基于此，有研究者提出了多方向壓電振動能量收集的設計結構，為壓電振動能量收集方法的研究提供了一種新的思路。

2.3.1 桿環結構

南京航空航天大學的李彬［39］提出一種桿環結構的多方向壓電振動能量收集裝置，其結構形式如圖7所示。可以看到，該裝置由一個金屬圓環、一個兩端可以在圓環上自由滑動的輕質桿件、一個可以在輕質桿上自由滑動的球形或者立方體質量塊以及兩個連接在質量球和輕質桿與金屬圓環接觸端的換能結構組成，其中，金屬環可以繞過其一條直徑的軸自由旋轉。將該裝置裝入振動系統時，金屬球的滑動方向會由于慣性自動調節其振動方向，最終逐漸趨近于外界的最大振動方向，由此達到收集多個方向振動能量的目的。該多方向壓電振動能量收集裝置的缺點是，制作時相對復雜一些，對轉軸部分要求摩擦小，環和桿在調節方向過程中會消耗一部分能量，方向調節響應可能不夠快，對外界激勵水平小的振動敏感程度夠不高，在垂直于桿的振動方向上振動時可能會有死點，長時間工作會導致部件的磨損等。

圖7 桿環結構多方向振動能量收集裝置示意圖Fig.7 Sketch of pole－loop shape multi－direction vibration energy harvesting structure

2.3.2 立方體－質量塊結構

南京航空航天大學的劉祥建等［40］提出一種立方體－質量塊結構的多方向壓電振動能量收集裝置，其結構形式如圖8所示。該裝置由立方體形金屬框架、金屬質量塊和將質量塊與立方體形金屬框架連接起來的8個相同的Rainbow型壓電換能器組成。為了實現該多方向振動能量收集裝置對不同方向振動能量的收集，在Rainbow型壓電換能器與金屬框架及金屬質量塊的聯接設計上，采用了萬向柔性鉸鏈的結構形式。實驗研究表明，在裝置外形尺寸為3 cm×3 cm×3 cm條件下，裝置在不同方向的外部激勵下都能夠收集到振動能量，其最大輸出功率為0.2 mW。其缺點是在某些方向激勵下(比如沿著面對角線方向)，收集到的能量較少。

圖8 立方體－質量塊結構多方向振動能量收集裝置示意圖Fig.8 Sketch of cube－mass shape multi－direction vibration energy harvesting structure

3 壓電振動能量收集裝置能量收集電路

上述壓電振動能量收集裝置結構的方向性和響應頻帶優化設計的最終目的是使裝置能夠收集到較多的能量，除了上述對壓電振動能量收集裝置結構的有效設計之外，對裝置能量收集電路的優化研究也不容忽視。

3.1 經典能量收集電路

如圖9所示，經典能量收集電路［41］包括一個全橋整流器和一個濾波電容，該電路實質上是一個AC－DC變換電路。電路中全橋整流器的作用是將壓電元件輸出的交流電壓轉換成直流電壓，濾波電容必須足夠大以保證輸出電壓基本穩定。

圖9 經典能量收集電路Fig.9 Standard interface circuit

袁江波等［42］用此經典能量收集電路對懸臂梁單晶壓電發電機進行了實驗研究。當激勵頻率為57 Hz，激勵力峰值為0.1 N，負載為10 kΩ時，測得電路的輸出功率為1.18 mW。

3.2 同步電荷提取電路

同步電荷提取法是周期性的將壓電元件上積累的電荷轉移到儲能元件上，該方法具有兩個特點：① 電荷的提取與機械振動同相位;② 壓電元件多數時間處于開路狀態。其電路原理圖如圖10所示。同步電荷提取電路電荷提取的過程，實際上是壓電元件的靜態夾持電容C0與電感L在開關閉合期間，構成了L－C0振蕩回路，在振蕩的前四分之一個周期內，將壓電元件儲存的能量轉移到電感L上。由于開關閉合的時間是在結構位移與壓電元件的電壓均達到極值的時刻，因此開關的工作周期與結構振動周期是同步的，這也是同步電荷提取電路的最主要特點所在。

圖10 同步電荷提取電路Fig.10 Synchronous charge extraction interface circuit

Lefeuvre等［43］對同步電荷提取電路進行了相關研究。實驗測試表明，同步電荷提取電路能量收集的輸出功率與所接負載大小無關，且其輸出的平均功率為經典能量收集電路最大功率的4倍。該電路的缺點是對開關的控制要求很高，實現較為復雜。

3.3 并聯同步開關電感電路

并聯同步開關電感電路在壓電元件與整流橋之間并聯電感L和開關S，如圖11所示。在壓電振動能量收集裝置結構的位移達到極大值或極小值時，閉合開關S，此時，L－C0形成振蕩回路。經過1/2振蕩周期斷開開關S，電壓在斷開開關S這段時間內幾乎瞬時的完成反向。從能量收集的本質來說，并聯同步開關電感電路實質上是在結構振動速度變向時，隨之改變壓電元件兩端的電壓，增加壓電元件阻尼作用的時間，從而將更多的機械能轉換成電能，而結構振動速度變向的時刻恰為位移達到極值的時刻。

圖11 并聯同步開關電感電路Fig.11 Parallel－SSHI interface circuit

Lefeuvre等［44］對并聯同步開關電感電路進行了理論和實驗研究，結果表明，該能量收集電路與經典能量收集電路相比，電路的能量收集效率可提高400%。

3.4 串聯同步開關電感電路

串聯同步開關電感電路與并聯同步開關電感電路結構類似，如圖12所示，其區別在于電感L和開關S是串接在壓電元件和整流橋之間的。在串聯同步開關電感電路中，壓電元件同樣大部分時間處于開路狀態，每次開關S閉合時，壓電元件靜態夾持電容C0上存儲的一部分能量經過整流橋轉移到濾波電容Cr上面，且壓電元件兩端電壓完成反向。當開關S斷開后，濾波電容Cr向負載供電。

圖12 串聯同步開關電感電路Fig.12 Series－SSHI interface circuit

Lefeuvre等［45－48］對串聯同步開關電感電路及前述的經典能量收集電路、同步電荷提取電路、并聯同步開關電感電路進行了比較研究。研究表明，在力激勵時，這四種能量收集電路的最大輸出功率相等，且同步電荷提取電路輸出的功率不受負載大小的影響;在位移激勵下，串/并聯同步開關電感電路收集到的能量是經典能量收集電路收集到能量的15倍，是同步電荷提取電路的3倍多。雖然串/并聯同步開關電感電路的最大輸出功率相等，但是串聯同步開關電感電路的匹配阻抗比并聯同步開關電感電路的匹配阻抗低四個數量級。

3.5 降壓式DC－DC變換能量收集電路

降壓式DC－DC變換能量收集電路是經典能量收集電路與降壓式DC－DC變換電路的結合，如圖13所示。壓電元件輸出的電能首先經過整流橋，存儲在電容Crect中，然后經過DC－DC變換電路，將電能轉移至儲能元件，為負載供電。降壓式能量收集電路通過調節降壓式DC－DC電路的占空比，使電容Crect上的電壓一直保持在整流橋輸出電壓的最大值，從而使電路的輸出功率最大。

圖13 降壓式DC－DC變換能量收集電路Fig.13 DC－DC step－down interface circuit

Lesieutre等［49］對該電路進行了相關研究。研究得到，能量收集電路的最優占空比是2.8%，采用優化控制的情況下效率達到了70%，當激勵力作用在壓電振動能量收集裝置上并產生48 V電壓時，該能量收集電路收集到的能量是直接充電電路收集到能量的三倍。

3.6 雙同步開關電感電路

能量收集電路設計的目的主要有兩點：① 盡可能提高能量收集效率;② 盡可能使輸出功率與負載相互獨立。雙同步開關電感電路正是基于以上兩個目的提出的，該電路可以為不同負載提供恒定的輸出功率。雙同步開關電感電路原理如圖14所示，它包括兩部分：一是串聯同步開關電感部分，由壓電元件、開關管S1、電感 L1、整流橋及中間電容 Crt組成;二是 Buck－Boost變換電路部分，由開關管S2、電感L2、二極管D及濾波電容Cs組成，但此處開關管的控制方法與傳統Buck－Boost變換電路有所區別。

圖14 雙同步開關電感電路Fig.14 Double synchronized switch harvesting circuit

Lallart等［50］對雙同步開關電感電路進行了研究。研究中，裝置結構位移幅值保持在2mm，Buck－Boost變換電路的效率為0.9，雙同步開關電感電路輸出的功率為經典能量收集電路的5倍以上，是同步電荷提取電路的1.5倍左右。同時，與同步電荷提取電路類似，雙同步開關電感電路輸出功率與負載的大小無關。

4 壓電振動能量收集裝置研究趨向

由于具有結構簡單、輸出功率較大以及易與MEMS集成等優點，在國內外掀起了對壓電式振動能量收集裝置的研究熱潮，但無論結構形式、設計參數如何變化，其最終目的就是能夠投入到實際應用之中。綜觀上述壓電式振動能量收集裝置結構及能量收集電路的演化與變遷，不難發現，有以下幾點值得關注。

(1)高性能壓電材料的能量收集應用研究。壓電材料性能的好壞將直接影響著壓電振動能量收集裝置能量收集性能的優劣，高性能、新型壓電材料的制備及其在振動能量收集方面的應用研究將更進一步的優化壓電振動能量收集裝置的設計。例如Rakbamrung等［51］對兩種壓電復合材料PZT+1 mol%Mn和PMN－25PT在能量收集方面的應用進行了相關研究，研究表明，相對于PZT+1 mol%Mn，PMN－25PT更有利于振動能量的收集，在經典能量收集電路下，后者所產生的最大輸出功率比前者提高了160%。

(2)新型、智能化壓電振動能量收集結構的設計研究。在壓電振動能量收集裝置結構的研究過程中，考慮到某些應用場合的振源振動情況是復雜的，這既包括振源的振動方向是變化的，也包括振源的振動頻率在一定范圍內變化，這就要求所設計的壓電振動能量收集結構不僅具有多方向性，同時又具有較寬的頻帶。智能化自適應調頻的新型多方向壓電振動能量收集結構的設計將會引起更多的思考。如陳仁文等［40］提出的立方體－質量塊結構的多方向壓電振動能量收集裝置，是一種區別于前述懸臂梁結構、圓膜結構的新型結構。另外，Lallart等［52］提出一種壓電振動發電機頻率自調諧方法，通過可調電壓源控制壓電驅動器，以此自適應的改變系統剛度，實驗研究表明，該方法可以將頻帶拓寬400%。

(3)效率高、耗能小及簡單可靠的能量收集電路的設計研究。通常，壓電振動能量收集結構所收集到的能量較小，耗能小、高效率的能量收集電路將有效的提高整個壓電振動能量收集裝置的輸出功率，這一點從前述對壓電振動能量收集裝置能量收集電路的介紹中不難看出。隨著對多壓電元件振動能量收集結構研究的展開及對能量收集電路設計的不斷改進，簡單、高效、低耗能的能量收集電路研究將會得到更多的關注。比如說，前述介紹的能量收集電路都是針對單個壓電元件的，而對于多個壓電元件的裝置結構，就需聯接多個全橋整流電路，這樣不但增加了電路本身的能耗，而且更加大了電路的復雜程度。Romani等［53］提出了一種新穎的多壓電源能量轉換器，這個轉換器由一個共用電感器和一組模擬開關組成，大大簡化了多壓電源能量收集電路的結構，實驗研究表明，驅動該組模擬開關的耗能僅為總能量的1%。

5 結論

本文針對壓電式振動能量收集裝置，對其目前的若干研究動態和進展給出了較為合理的分類和闡述，并總結了其未來的研究趨勢和方向。可以看出，影響壓電式振動能量收集裝置發電性能的因素除了振動能量收集裝置本身的結構形式、能量收集電路及相關設計參數之外，另外一點也不容忽視，也即壓電振動能量收集裝置應用的外部環境，特別是壓電振動能量收集裝置的結構設計與所涉及的應用環境是密切相關的，必須基于振動頻譜的基本特性。壓電振動能量收集裝置以其結構緊湊、壽命長和清潔環保等特性，在不久的將來有望成為電池的替代品，為各類微機電系統及低功率無源傳感器提供動力。

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Current situation and developing trend of piezoelectric vibration energy harvesters

LIU Xiang－jian，CHEN Ren－wen
(Aeronautics Science Key Laboratory for Smart Materials＆ Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

With the development of wireless technology and micro－electro－mechanical technology，the flaws of electrochemical batteries as power sources have gradually appeared.On the contrary，piezoelectric vibration energy harvesters receive more attention because oftheiradvantages ofsimple structure，no pollution and easily microminiaturizing.Beginning with the piezoelectric materials and their piezoelectricity，the piezoelectric vibration energy harvesters were reviewed on the aspects of structure design and energy harvesting circuit design.Based on the directivity and response band of the piezoelectric vibration energy harvesters，the improvements on the structure design were introduced in detail.In view of the energy harvesting efficiency，the improvements of the energy harvesting circuit design were also introduced.The development perspective of the piezoelectric vibration energy harvesters was summarized.The study will be helpful for the researchers who are engaged in the studying on the piezoelectric vibration energy harvesting.

piezoelectric vibration energy harvesting;wide band;multi－direction;energy harvesting circuit

TN384

A

國家自然科學基金資助項目(10972102);教育部博士點基金資助項目(200802870007);江蘇省科技支撐計劃項目(BE2009163)

2011－04－26 修改稿收到日期：2011－06－30

劉祥建 男，博士生，1980年生