涂宇，雷先華，朱石沙

（1.湖南交通工程學(xué)院交通工程系，湖南 衡陽(yáng) 421000；

（2.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

壓電俘能技術(shù)的應(yīng)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(xué)院交通工程系，湖南 衡陽(yáng) 421000；

（2.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

現(xiàn)代科技高速發(fā)展以及傳統(tǒng)供電方式的諸多弊端，使微電子器件、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及MEMS等低功耗系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，加速了對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度大、易于微型化以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的壓電俘能技術(shù)的研究。綜述了近些年壓電俘能技術(shù)在采集電路和俘能裝置設(shè)計(jì)兩方面的理論研究和應(yīng)用成果；簡(jiǎn)單介紹了壓電俘能技術(shù)在電流變和微機(jī)械領(lǐng)域中的工程應(yīng)用；最后，展望了壓電俘能技術(shù)可持續(xù)開展的工作。

壓電俘能技術(shù)；時(shí)均流；電流變液；微機(jī)械

壓電俘能技術(shù)是指將其他存在形式的能量通過(guò)壓電體的正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成可利用的電能，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。能源危機(jī)一直以來(lái)倍受關(guān)注，如何將分布在環(huán)境中的能量回收利用是關(guān)于綠色能源的新戰(zhàn)略性發(fā)展理念。環(huán)境中分布著大量的機(jī)械振動(dòng)能、風(fēng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受電磁干擾、能力密度大和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的壓電俘能技術(shù)最引人注目。

壓電振子結(jié)構(gòu)是直接影響壓電俘能裝置轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵元件，主要有懸臂梁—質(zhì)量塊型，Cymbal型和堆棧型等。懸臂梁—質(zhì)量塊型結(jié)構(gòu)相對(duì)于典型的懸臂梁型具有頻帶寬、轉(zhuǎn)換效率高；Cymbal型結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用于振動(dòng)沖擊大、頻率低的場(chǎng)所；堆棧型結(jié)構(gòu)具有輸出電壓大、承受力大、可通過(guò)電路優(yōu)化電流輸出特性等優(yōu)勢(shì)。壓電俘能裝置的另一個(gè)重要指標(biāo)即有效帶寬，設(shè)計(jì)者想出了各種方法來(lái)擴(kuò)寬帶寬和提高轉(zhuǎn)換效率。B. Andò[1]通過(guò)在壓電俘能系統(tǒng)中引入非線性磁力能有效地提高裝置的帶寬和轉(zhuǎn)換效率。Miah A[2]通過(guò)對(duì)壓電振子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)達(dá)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(shù)所收集到的能量實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器的自供能。國(guó)內(nèi)的蔣學(xué)爭(zhēng)[4]等利用壓電俘能技術(shù)所收集到的電能為電/磁流變減振器供電，實(shí)現(xiàn)了電控阻尼減振器的自供能。近些年來(lái)，壓電俘能技術(shù)在壓電振子、采集電路和工程應(yīng)用等方面都取得了很大的成果[5]。

1 壓電俘能技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)

1.1 壓電采集電路

壓電體的電學(xué)模型可等效為正弦電流源Ip(t)和極間等效電容Cp的并聯(lián)。當(dāng)振動(dòng)能傳遞到壓電體時(shí)，因正壓電效應(yīng)將在材料內(nèi)部產(chǎn)生交流電壓，電荷未能及時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí)，因逆壓電效應(yīng)將產(chǎn)生阻礙壓電體進(jìn)一步變形的反作用力，因此壓電體上的電荷要及時(shí)采集，以提高能量俘獲效率。標(biāo)準(zhǔn)的采集電路(SEH)效率非常低，為了提高采集效率，研究者在標(biāo)準(zhǔn)采集電路的基礎(chǔ)上開發(fā)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(guò)使壓電元件上電荷的提取與振動(dòng)系統(tǒng)同步來(lái)達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的最大化。實(shí)驗(yàn)證明四種采集電路轉(zhuǎn)換效率在同等條件下較標(biāo)準(zhǔn)電路都有顯著提高。

圖1 四種電荷提取電路

在轉(zhuǎn)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(guān)的通斷需要額外的信號(hào)檢測(cè)與控制電路，同時(shí)也需要外源電路來(lái)嚴(yán)格控制開關(guān)轉(zhuǎn)換與振動(dòng)源的同步。Junrui Liang[6]在對(duì)SSHI電路研究時(shí)發(fā)現(xiàn)同步電荷提取電路的峰值檢測(cè)和控制開關(guān)通斷的實(shí)現(xiàn)需要具有外部電源的位移傳感器和數(shù)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(shè)計(jì)了一種自供能SSHI采集電路（SP-SSHI），將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換信號(hào)通過(guò)晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)的通斷，可擺脫對(duì)額外的信號(hào)檢測(cè)與控制電路的依賴。

一般壓電體所受的外力都不穩(wěn)定，所以產(chǎn)生的交流電壓也不穩(wěn)定，不能直接為負(fù)載元件提供電能。因此，在壓電發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載元件之間需要加入整流電路，完成AC—DC的轉(zhuǎn)換，而整流電路自身?yè)p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(yōu)點(diǎn)。而在進(jìn)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(wú)源整流合成電路，采用了基于最優(yōu)的同步整流設(shè)計(jì)以及一個(gè)新型觸發(fā)電路，如圖2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真發(fā)現(xiàn)雖然解決了微功率發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓與二極管壓降相當(dāng)這個(gè)問(wèn)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(wú)源整流系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)系統(tǒng)等不足。

圖2 新型有源和無(wú)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(shí)突變。這樣很容易損壞對(duì)電壓和電流要求穩(wěn)定的負(fù)載元器件，因此所采集到的電能需進(jìn)一步進(jìn)行DC—DC轉(zhuǎn)換。為解決上述問(wèn)題研究者提出了一種自適應(yīng)壓電能量采集電路，此電路包括一個(gè)全橋整流橋和Buck轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)表示在高激勵(lì)的條件下相比與無(wú)DC—DC轉(zhuǎn)換器的電路功率轉(zhuǎn)換提高了近四倍。

1.2 壓電俘能裝置

國(guó)內(nèi)外關(guān)于壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究的文獻(xiàn)頗多，相應(yīng)的壓電振子結(jié)構(gòu)更是新穎。研究者針對(duì)環(huán)境中不同的能量形式，設(shè)計(jì)各種相應(yīng)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(jiǎn)化和集成。新設(shè)計(jì)的俘能器不斷向頻率可調(diào)、轉(zhuǎn)換效率高、多功能以及微型化等方面轉(zhuǎn)變。

在如何收集利用環(huán)境中相對(duì)較多的風(fēng)能、水流動(dòng)能等具有顯著動(dòng)能的單向流動(dòng)時(shí)均流時(shí)，Tam[9]設(shè)計(jì)了一種利用卡門渦街壓力脈沖的小型氣動(dòng)發(fā)電機(jī)，如圖3。當(dāng)壓力脈沖振幅70 Pa和頻率872 Hz時(shí)，開路輸出電壓可達(dá)14 V。Bressers[10]設(shè)計(jì)一種無(wú)接觸式的新型風(fēng)機(jī)俘能器，通過(guò)磁體之間的引力和斥力驅(qū)動(dòng)壓電雙晶梁振蕩發(fā)電，該風(fēng)機(jī)俘能器具有臨界啟動(dòng)風(fēng)速低，運(yùn)行壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。而美國(guó)的Pennington海洋能研究組設(shè)計(jì)了一種利用水能驅(qū)動(dòng)壓電變形的發(fā)電器，主要可為河流中的無(wú)線傳感檢測(cè)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供電能，加快了科學(xué)研究進(jìn)步的腳步。有關(guān)時(shí)均流能量俘能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很多，但大部分都采用的是風(fēng)機(jī)式或者腔體式，采集效率偏低。

圖3 卡門渦街氣動(dòng)發(fā)電機(jī)

圖4 波紋形壓電彈簧振子

在如何收集車輛、橋梁、機(jī)械等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲能方面時(shí)，因此種振動(dòng)噪聲能普遍存在而且能量密度大，且具有振動(dòng)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(shè)計(jì)了一種二維、寬頻帶、雙穩(wěn)態(tài)的懸臂梁—磁鐵式壓電俘能裝置。此裝置可同時(shí)采集Y—Z（2D）方向上的振動(dòng)能量，不僅能很好的適應(yīng)環(huán)境中振動(dòng)能量的無(wú)規(guī)律和多方向性，還能在較寬的激勵(lì)頻率下產(chǎn)生較大的響應(yīng)。而R.L. Harne[11]研制的一種由波紋形壓電彈簧制作的動(dòng)態(tài)吸振器，圖4為吸振器的壓電振子結(jié)構(gòu)，此吸振器工作時(shí)不僅可以回收振動(dòng)能量還能實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的工程應(yīng)用。

而在如何收集利用日?；顒?dòng)中的能量時(shí)，新設(shè)計(jì)的俘能器為日常生活以及科學(xué)研究提供諸多方便。如利用PVDF設(shè)計(jì)的壓電俘能器，為人體骨骼應(yīng)變監(jiān)測(cè)器上的通訊設(shè)備提供了電能；Kimura[12]等用壓電晶體板的振動(dòng)發(fā)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(xué)研究的俘能器很多，如可常用于野外軍事活動(dòng)的壓電發(fā)電鞋，把壓電俘能器植入鞋跟，將人體行走時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能給通訊設(shè)備供電；以色列的世界第一條壓電發(fā)電道路、倫敦的可發(fā)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(shù)的應(yīng)用研究

2.1 電/磁流變液中的應(yīng)用

具有電響應(yīng)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(guò)施加電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，通常在無(wú)電場(chǎng)的作用下，電流變液呈液態(tài)，擁有牛頓流體的特性；當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，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(jié)構(gòu)的固體狀纖維網(wǎng)絡(luò)，在毫秒級(jí)內(nèi)表現(xiàn)出從液態(tài)狀到固態(tài)狀轉(zhuǎn)變的獨(dú)特相變。特別在減振或隔振領(lǐng)域中倍受青睞。

在對(duì)兩大智能材料的結(jié)合應(yīng)用研究中，國(guó)內(nèi)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(fù)合的自耦合阻尼器.此耦合阻尼器利用壓電陶瓷形變產(chǎn)生的高電壓去激勵(lì)電流變液，實(shí)現(xiàn)電控阻尼減震器的自供能。蔣學(xué)爭(zhēng)[4]設(shè)計(jì)了一種基于壓電陶瓷自供能磁流變減振器，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換調(diào)理電路，如圖5。實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域中應(yīng)用壓電材料實(shí)現(xiàn)供電，不僅可以簡(jiǎn)化減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還能提高電/磁減振器自適應(yīng)環(huán)境的能力。

圖5 壓電陶瓷自供能磁流變減振器原理圖和實(shí)物圖

2.2 微機(jī)械中的應(yīng)用

微型機(jī)械結(jié)構(gòu)可替代人類進(jìn)入狹窄或危險(xiǎn)空間完成檢測(cè)和維修作業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。而壓電材料制作的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度大以及頻響快，是微小型機(jī)器人較理想的驅(qū)動(dòng)方式。但制約壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于微型機(jī)械結(jié)構(gòu)中的兩大挑戰(zhàn)是在系統(tǒng)中能否用驅(qū)動(dòng)電路將低電壓能量源轉(zhuǎn)化成高電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)和能否從壓電驅(qū)動(dòng)器中回收未利用的能量?；趦纱筇魬?zhàn)，Michael Karpelson[13]等對(duì)微型機(jī)械結(jié)構(gòu)中合適的高電壓驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法、磁性元件的質(zhì)量以及電路集成技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并物理實(shí)例化這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，制作了極致輕薄的磁性元件，用超低功率集成電路實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電路的控制功能，這些驅(qū)動(dòng)電路原理和建立的模型的數(shù)據(jù)顯示能夠滿足微機(jī)械結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的質(zhì)量和能量需求，如圖6。

圖6

3 壓電俘能技術(shù)的總結(jié)和展望

在納米技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)、大規(guī)模集成電路制作技術(shù)的迅速發(fā)展下，壓電采集電路在提取電路、整流電路以及DC—DC轉(zhuǎn)換電路等方面的研究取得了顯著成果。采集電路的研發(fā)設(shè)計(jì)一般遵循的原則是降低功耗和提高電荷提取效率，根據(jù)現(xiàn)有電路研究中出現(xiàn)的負(fù)載匹配、同步開關(guān)控制、損耗過(guò)高等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，后續(xù)電路的研制可向以下方向進(jìn)行：一是完善采集電路中的提取電路、整流電路以及DC—DC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，研制低功耗實(shí)用化的集成芯片來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率；二是開發(fā)采集電路中的軟開關(guān)技術(shù)，降低電路的復(fù)雜程度，提高電路的自適應(yīng)能力。三是研制出提取電路、存儲(chǔ)元件和電源管理電路一體化的集成能量?jī)?chǔ)存裝置，不僅減少充電時(shí)間還能提高電能利用效率。

目前壓電俘能器只能產(chǎn)生微瓦到毫瓦級(jí)的功率,卻足以滿足廣泛應(yīng)用的微功率電子器件以及MEMS等低功耗系統(tǒng)的供電要求。后續(xù)壓電俘能器的研究可向以下方向進(jìn)行：一是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換效率、可調(diào)頻寬等方面對(duì)目前所設(shè)計(jì)的二維或三維壓電俘能器進(jìn)行改進(jìn)。二是研制一款可用于振動(dòng)控制、能量采集、驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)發(fā)射等多目標(biāo)工程應(yīng)用的壓電俘能器。三是測(cè)取如車輛、橋梁、空調(diào)等振動(dòng)頻率，設(shè)計(jì)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(fù)載等構(gòu)造成一個(gè)自治系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中。

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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?yàn)楣こ虣C(jī)械電液控制系統(tǒng)、轎車自動(dòng)變速理論與控制。

2015-11-19

湖南省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目基于灰色預(yù)測(cè)的CVT起步離合器結(jié)合壓力的控制技術(shù)研究（15C0496）。