壓電俘能技術的應用研究與展望*

涂宇，雷先華，朱石沙

（1.湖南交通工程學院交通工程系，湖南 衡陽 421000；

（2.湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105）

壓電俘能技術的應用研究與展望*

Application and prospect of piezoelectric energy harvest technology

涂宇1，雷先華1，朱石沙2

（1.湖南交通工程學院交通工程系，湖南 衡陽 421000；

（2.湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105）

現代科技高速發展以及傳統供電方式的諸多弊端，使微電子器件、無線傳感器網絡以及MEMS等低功耗系統的應用日益廣泛，加速了對結構簡單、能量密度大、易于微型化以及綠色環保等優點的壓電俘能技術的研究。綜述了近些年壓電俘能技術在采集電路和俘能裝置設計兩方面的理論研究和應用成果；簡單介紹了壓電俘能技術在電流變和微機械領域中的工程應用；最后，展望了壓電俘能技術可持續開展的工作。

壓電俘能技術；時均流；電流變液；微機械

壓電俘能技術是指將其他存在形式的能量通過壓電體的正壓電效應轉換成可利用的電能，實現能量的回收利用。能源危機一直以來倍受關注，如何將分布在環境中的能量回收利用是關于綠色能源的新戰略性發展理念。環境中分布著大量的機械振動能、風能、水能等形式的能量，目前回收這些能量的方法有壓電式、電磁式和靜電式，而具有結構簡單、不受電磁干擾、能力密度大和綠色環保等優點的壓電俘能技術最引人注目。

壓電振子結構是直接影響壓電俘能裝置轉換效率的關鍵元件，主要有懸臂梁—質量塊型，Cymbal型和堆棧型等。懸臂梁—質量塊型結構相對于典型的懸臂梁型具有頻帶寬、轉換效率高；Cymbal型結構適合應用于振動沖擊大、頻率低的場所；堆棧型結構具有輸出電壓大、承受力大、可通過電路優化電流輸出特性等優勢。壓電俘能裝置的另一個重要指標即有效帶寬，設計者想出了各種方法來擴寬帶寬和提高轉換效率。B. Andò[1]通過在壓電俘能系統中引入非線性磁力能有效地提高裝置的帶寬和轉換效率。Miah A[2]通過對壓電振子結構的獨特設計達到改變其固有頻率和采集效率的目的。在如何利用回收能量的方面，Anthony N[3]利用壓電俘能技術所收集到的能量實現了無線傳感器的自供能。國內的蔣學爭[4]等利用壓電俘能技術所收集到的電能為電/磁流變減振器供電，實現了電控阻尼減振器的自供能。近些年來，壓電俘能技術在壓電振子、采集電路和工程應用等方面都取得了很大的成果[5]。

1 壓電俘能技術的研究動態

1.1 壓電采集電路

壓電體的電學模型可等效為正弦電流源Ip(t)和極間等效電容Cp的并聯。當振動能傳遞到壓電體時，因正壓電效應將在材料內部產生交流電壓，電荷未能及時轉移時，因逆壓電效應將產生阻礙壓電體進一步變形的反作用力，因此壓電體上的電荷要及時采集，以提高能量俘獲效率。標準的采集電路(SEH)效率非常低，為了提高采集效率，研究者在標準采集電路的基礎上開發了四種同步電荷提取電路，即同步電荷提取電路、串/并SSHI電路和SECE電路，如圖1。同步電荷采集電路通過使壓電元件上電荷的提取與振動系統同步來達到能量轉換的最大化。實驗證明四種采集電路轉換效率在同等條件下較標準電路都有顯著提高。

圖1 四種電荷提取電路

在轉換效率方面同步電荷提取電路雖然都有很大提高，但同步電荷提取電路控制開關的通斷需要額外的信號檢測與控制電路，同時也需要外源電路來嚴格控制開關轉換與振動源的同步。Junrui Liang[6]在對SSHI電路研究時發現同步電荷提取電路的峰值檢測和控制開關通斷的實現需要具有外部電源的位移傳感器和數字控制器，于是利用壓電陶瓷本身就可作為位移傳感器的這一特性，設計了一種自供能SSHI采集電路（SP-SSHI），將產生的轉換信號通過晶體管來實現控制開關的通斷，可擺脫對額外的信號檢測與控制電路的依賴。

一般壓電體所受的外力都不穩定，所以產生的交流電壓也不穩定，不能直接為負載元件提供電能。因此，在壓電發電系統與負載元件之間需要加入整流電路，完成AC—DC的轉換，而整流電路自身損耗則是衡量電路效率的重要因素。Han[7]提出了一種同步整流電路，電路采用了具有功耗低，性能好的MOSFET管。此電路與采用二極管的整流電路相比具有正向壓降小，反向電流小，整流損耗小等優點。而在進一步整流電路的研究中Djordje等[8]提出了另一種新型有源和無源整流合成電路，采用了基于最優的同步整流設計以及一個新型觸發電路，如圖2。通過實驗和仿真發現雖然解決了微功率發電機產生的電壓與二極管壓降相當這個問題，但電路因緩沖電容太小而不能為有源整流提供足夠的電壓以及基于二極管的無源整流系統無法啟動系統等不足。

圖2 新型有源和無源整流合成電路

上述整流電路雖然確保了電壓的方向，但電壓和電流仍然存在著瞬時突變。這樣很容易損壞對電壓和電流要求穩定的負載元器件，因此所采集到的電能需進一步進行DC—DC轉換。為解決上述問題研究者提出了一種自適應壓電能量采集電路，此電路包括一個全橋整流橋和Buck轉換器。實驗表示在高激勵的條件下相比與無DC—DC轉換器的電路功率轉換提高了近四倍。

1.2 壓電俘能裝置

國內外關于壓電俘能裝置的結構設計和性能研究的文獻頗多，相應的壓電振子結構更是新穎。研究者針對環境中不同的能量形式，設計各種相應的專用壓電俘能器，不僅能大幅度提高俘能效率，而且還有利于裝置的簡化和集成。新設計的俘能器不斷向頻率可調、轉換效率高、多功能以及微型化等方面轉變。

在如何收集利用環境中相對較多的風能、水流動能等具有顯著動能的單向流動時均流時，Tam[9]設計了一種利用卡門渦街壓力脈沖的小型氣動發電機，如圖3。當壓力脈沖振幅70 Pa和頻率872 Hz時，開路輸出電壓可達14 V。Bressers[10]設計一種無接觸式的新型風機俘能器，通過磁體之間的引力和斥力驅動壓電雙晶梁振蕩發電，該風機俘能器具有臨界啟動風速低，運行壽命長等優點。而美國的Pennington海洋能研究組設計了一種利用水能驅動壓電變形的發電器，主要可為河流中的無線傳感檢測網節點提供電能，加快了科學研究進步的腳步。有關時均流能量俘能器的結構設計很多，但大部分都采用的是風機式或者腔體式，采集效率偏低。

圖3 卡門渦街氣動發電機

圖4 波紋形壓電彈簧振子

在如何收集車輛、橋梁、機械等結構的振動噪聲能方面時，因此種振動噪聲能普遍存在而且能量密度大，且具有振動多頻特性和多方向性。研究者采用兩片相互垂直的懸臂梁—鐵磁塊型壓電片設計了一種二維、寬頻帶、雙穩態的懸臂梁—磁鐵式壓電俘能裝置。此裝置可同時采集Y—Z（2D）方向上的振動能量，不僅能很好的適應環境中振動能量的無規律和多方向性，還能在較寬的激勵頻率下產生較大的響應。而R.L. Harne[11]研制的一種由波紋形壓電彈簧制作的動態吸振器，圖4為吸振器的壓電振子結構，此吸振器工作時不僅可以回收振動能量還能實現對振動的控制，實現多目標的工程應用。

而在如何收集利用日常活動中的能量時，新設計的俘能器為日常生活以及科學研究提供諸多方便。如利用PVDF設計的壓電俘能器，為人體骨骼應變監測器上的通訊設備提供了電能；Kimura[12]等用壓電晶體板的振動發電為遷徙候鳥的位置跟蹤傳感器提供電能。此種有利于日常生活和科學研究的俘能器很多，如可常用于野外軍事活動的壓電發電鞋，把壓電俘能器植入鞋跟，將人體行走時的動能轉換成電能給通訊設備供電；以色列的世界第一條壓電發電道路、倫敦的可發電舞池等都為日益缺乏的能源研究提供了方向。

2 壓電俘能技術的應用研究

2.1 電/磁流變液中的應用

具有電響應的電/磁流變材料是智能材料的另一大派系，其剛度、流變性、阻尼等特性可通過施加電場進行調節控制，通常在無電場的作用下，電流變液呈液態，擁有牛頓流體的特性；當施加電場時，所有分散粒子立即被極化并吸引相鄰的顆粒以形成鏈狀結構的固體狀纖維網絡，在毫秒級內表現出從液態狀到固態狀轉變的獨特相變。特別在減振或隔振領域中倍受青睞。

在對兩大智能材料的結合應用研究中，國內著名的智能材料研究者趙曉鵬率先提出并制作了一種基于電流變液和壓電陶瓷復合的自耦合阻尼器.此耦合阻尼器利用壓電陶瓷形變產生的高電壓去激勵電流變液，實現電控阻尼減震器的自供能。蔣學爭[4]設計了一種基于壓電陶瓷自供能磁流變減振器，并設計了轉換調理電路，如圖5。實驗證明利用基于壓電材料的俘能裝置為磁流變液減振器供電是可行的。在電/磁流變液減振領域中應用壓電材料實現供電，不僅可以簡化減振器的結構設計，還能提高電/磁減振器自適應環境的能力。

圖5 壓電陶瓷自供能磁流變減振器原理圖和實物圖

2.2 微機械中的應用

微型機械結構可替代人類進入狹窄或危險空間完成檢測和維修作業，具有廣泛的應用前景。而壓電材料制作的驅動器結構緊湊，能量密度大以及頻響快，是微小型機器人較理想的驅動方式。但制約壓電驅動器應用于微型機械結構中的兩大挑戰是在系統中能否用驅動電路將低電壓能量源轉化成高電壓驅動信號和能否從壓電驅動器中回收未利用的能量。基于兩大挑戰，Michael Karpelson[13]等對微型機械結構中合適的高電壓驅動電路的拓撲結構、控制方法、磁性元件的質量以及電路集成技術進行了優化，并物理實例化這些拓撲結構，制作了極致輕薄的磁性元件，用超低功率集成電路實現了驅動電路的控制功能，這些驅動電路原理和建立的模型的數據顯示能夠滿足微機械結構嚴格的質量和能量需求，如圖6。

圖6

3 壓電俘能技術的總結和展望

在納米技術、微機械加工技術、大規模集成電路制作技術的迅速發展下，壓電采集電路在提取電路、整流電路以及DC—DC轉換電路等方面的研究取得了顯著成果。采集電路的研發設計一般遵循的原則是降低功耗和提高電荷提取效率，根據現有電路研究中出現的負載匹配、同步開關控制、損耗過高等問題的基礎上，后續電路的研制可向以下方向進行：一是完善采集電路中的提取電路、整流電路以及DC—DC轉換電路的設計準則，研制低功耗實用化的集成芯片來提高轉換效率；二是開發采集電路中的軟開關技術，降低電路的復雜程度，提高電路的自適應能力。三是研制出提取電路、存儲元件和電源管理電路一體化的集成能量儲存裝置，不僅減少充電時間還能提高電能利用效率。

目前壓電俘能器只能產生微瓦到毫瓦級的功率,卻足以滿足廣泛應用的微功率電子器件以及MEMS等低功耗系統的供電要求。后續壓電俘能器的研究可向以下方向進行：一是在結構設計、轉換效率、可調頻寬等方面對目前所設計的二維或三維壓電俘能器進行改進。二是研制一款可用于振動控制、能量采集、驅動器、信號發射等多目標工程應用的壓電俘能器。三是測取如車輛、橋梁、空調等振動頻率，設計出專用壓電俘能器。四是將壓電采集電路、電源管理電路以及負載等構造成一個自治系統，并將其應用于實際工程中。

[1] Andò B, Baglio S, Bulsara A R, et al. A bistable buckled beam based approach for vibrational energy harvesting[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 211: 153~161.

[2] Halim M A, Park J Y. Theoretical modeling and analysis of mechanical impact driven and frequency up-converted piezoelectric energy harvester for low-frequency and wide-bandwidth operation[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 208: 56~65.

[3] Laskovski A N, Yuce M R, Moheimani S O. FM-based piezoelectric strain voltage sensor at ultra-low frequencies with wireless capability[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2013, 199: 49~55.

[4] 蔣學爭，王炅.自供電磁流變減振器設計及實驗研究[J].南京理工大學學報（自然科版），2012，36（5）：785~790.

[5] 范兆凱，劉軍考，陳維山，等.寬頻壓電俘能技術的研究綜述[J].機械設計與制造，2014，（1）：261~264.

[6] Junrui Liang and Wei-Hsin Liao,et al.Improved Design and Analysis of Self-Powered Synchronized Switch Interface Circuit for Piezoelectric Energy Harvesting Systems[J].IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2012; 59 (4): 1 950.

[7] Han J, Von Jouanne A, Le T, et al. Novel power conditioning circuits for piezoelectric micro power generators[C]. Proc.19th Ann. IEEE Applied Power Electronics Conf. and Exposition Conf. 2004, 1541-1546.

[8] Djordje Marinkovic,Alexander Frey,Ingo Kuehne,Gerd Scholl. A New Rectifier and Trigger Circuit for a Piezoelectric Microgenerator [J]. Procedia Chemistry ，2009 (1) :1 447~1 450.

[9] Tam Nguyen H D, Pham H T, Wang D A. A miniature pneumatic energy generator using Kármán vortex street[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2013, 116: 40~48.

[10] Bressers S，Avirovik D，Lallart M，et al.Contactless wind turbine utilizing piezoelectric bimorphs with magnetic actuation［C］.Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series 12，2011，233~243.

[11] R.L. Harne, Development and testing of a dynamic absorber with corrugated piezoelectric spring for vibration control and energy harvesting applications[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2013, 36(2): 604~617.

[12] M. Kimura. Piezoelectric generation device. US Patent, 5801475.

[13] Michael Karpelson, Gu-Yeon Wei, Robert J. Wood, Driving high voltage piezoelectric actuators in microrobotic applications[J].Sensors and Actuators A: Physical, 2012,176: 78~89.

(P-01)

TM384

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

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.046

涂宇（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向為工程機械電液控制系統、轎車自動變速理論與控制。

2015-11-19

湖南省教育廳科學研究一般項目基于灰色預測的CVT起步離合器結合壓力的控制技術研究（15C0496）。