鄂世舉， 郭 壯， 曹建波， 任鈺雪，金建華， 蔡建程， 朱喜林， 周 武

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

微能量收集技術(shù)及儲(chǔ)能器件研究

鄂世舉， 郭 壯， 曹建波， 任鈺雪，金建華， 蔡建程， 朱喜林， 周 武

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

為提高微能量收集的轉(zhuǎn)換效率，分析了3種典型的換能裝置結(jié)構(gòu)及其等效電路，探究了3種換能裝置的能量收集電路的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)比分析了常用儲(chǔ)能器件.結(jié)果表明：帶控制單元的能量收集電路效率高，超級(jí)電容和鋰電池適合微能量收集系統(tǒng).基于以上分析，對(duì)微能量收集技術(shù)和儲(chǔ)能器件研究提出了建議，帶控制單元的能量收集電路和組合形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)是進(jìn)一步研究微能量收集系統(tǒng)效率的一個(gè)方向.

微能量收集系統(tǒng)；換能裝置；收集電路；儲(chǔ)能器件

由于資源短缺和環(huán)境污染，人們對(duì)可再生能源的關(guān)注越來(lái)越密切.目前，人們熟知的可再生能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿萚1].另外，還有一些微型可再生能源未被充分利用，如溫差、形變、振動(dòng)、射頻等.隨著新型的微型電子系統(tǒng)如微型傳感器、醫(yī)學(xué)植入裝置等不斷發(fā)展，頻繁更換微型電子系統(tǒng)的電池問(wèn)題亟需解決，解決該問(wèn)題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出能長(zhǎng)期供電且免維護(hù)的發(fā)電系統(tǒng).“能量收集”通常指的是捕獲環(huán)境中的能量，并將其轉(zhuǎn)換為一種有用的形式，通常是電力.微能量收集可以將一些可再生能源收集并轉(zhuǎn)換為電能,給低功耗器件(通常是mW級(jí)別)供電.

微能量收集系統(tǒng)[2- 3]主要包括換能器件、電力轉(zhuǎn)換器、控制單元、電能儲(chǔ)存器件和負(fù)載5個(gè)部分，如圖1所示.圖中換能器件可以將外部的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能.根據(jù)換能器件和發(fā)電原理的不同，典型的換能裝置可以分為3種：壓電式、靜電式、電磁式[4- 5].通常換能裝置產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定，電力轉(zhuǎn)換器將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換為便于儲(chǔ)存的穩(wěn)定能量，由儲(chǔ)能器件為負(fù)載供電.

圖1 微能量收集系統(tǒng)

目前,國(guó)外研究微能量收集系統(tǒng)整體效率的較多，如文獻(xiàn)[2]對(duì)微能量收集系統(tǒng)的換能器件、轉(zhuǎn)換器、儲(chǔ)能器件及控制單元進(jìn)行單獨(dú)分析后，綜合考慮系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體效率的優(yōu)化.而國(guó)內(nèi)在該方面的研究很少，大多單獨(dú)分析某一環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率影響問(wèn)題，如文獻(xiàn)[1]對(duì)介電彈性體能量收集的研究，主要集中在換能器件上，而對(duì)其余環(huán)節(jié)的分析較少；又如文獻(xiàn)[4]對(duì)振動(dòng)微能量收集的研究，簡(jiǎn)單分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,主要集中在對(duì)換能器和控制單元的優(yōu)化，后續(xù)工作中沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行研究，而主要研究?jī)?yōu)化后電路的效率.

國(guó)內(nèi)外對(duì)微能量收集系統(tǒng)的研究，較多針對(duì)單一環(huán)節(jié)的效率問(wèn)題，從系統(tǒng)層級(jí)考慮效率優(yōu)化的較少.但微能量系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)，單一地提高某一環(huán)節(jié)效率可能會(huì)嚴(yán)重影響其他環(huán)節(jié)效率.本文旨在分析3種換能裝置結(jié)構(gòu)及其能量收集電路和儲(chǔ)能方式，尋找各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，為進(jìn)一步研究整個(gè)系統(tǒng)效率提供參考.

1 換能裝置與機(jī)電耦合等效電路

比較典型的換能裝置有壓電式發(fā)電機(jī)、介電彈性體發(fā)電機(jī)[6]和電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)[7].機(jī)電耦合等效電路是將換能裝置的力學(xué)模型與電學(xué)模型結(jié)合，便于設(shè)計(jì)優(yōu)化換能裝置的結(jié)構(gòu),研究微能量收集系統(tǒng)的效率.

1.1 壓電式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)電耦合等效電路

懸臂梁結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用比較廣泛的壓電式發(fā)電結(jié)構(gòu)，圖2所示為雙晶壓電懸臂梁結(jié)構(gòu).圖中金屬片上下兩面分別粘貼壓電片，一般是壓電陶瓷片.自由端固定質(zhì)量塊，其作用是降低懸臂梁結(jié)構(gòu)的固有頻率.當(dāng)自由端受到外力上下振動(dòng)時(shí)，懸臂梁有較大的撓度[5]，并且諧振的頻率較低，這種單端固定的方式適用于矩形壓電片.懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)外界刺激比較敏感，適用于激勵(lì)較小且頻率較低的場(chǎng)合，因此,該結(jié)構(gòu)適用于微能量收集[8].

1.夾具;2.金屬片;3.壓電片;4.降頻質(zhì)量塊

圖3所示為該機(jī)構(gòu)的機(jī)電耦合等效模型[9- 11].該模型由左部的機(jī)械等效結(jié)構(gòu)、右部的電等效結(jié)構(gòu)及中間的轉(zhuǎn)換裝置3部分組成.機(jī)械等效結(jié)構(gòu)包括：輸入的外力(VS);梁的有效剛度(C);懸臂梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量(L);機(jī)械損耗(R).電等效結(jié)構(gòu)包括：壓電片的固有電容(Cp);等效負(fù)載阻抗(RL).中間轉(zhuǎn)換裝置為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換變壓器(Te)，其中n∶1表示機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率.

壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，適用微小振動(dòng)等場(chǎng)合.發(fā)電量較小，對(duì)于功率較大的負(fù)載，需要采用組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).對(duì)特定場(chǎng)合及負(fù)載，壓電發(fā)電機(jī)可以靈活地改變自身機(jī)構(gòu)，使其應(yīng)用范圍更加廣泛.

圖3 壓電懸臂梁機(jī)電耦合等效模型

1.2 靜電式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)電耦合等效電路

靜電式發(fā)電機(jī)的換能材料具有可變電容的特性，比較典型的是介電彈性體發(fā)電機(jī)(dielectric elastomer generator,DEG).一般DEG需要外置高壓電源提供偏置電壓，換能材料的電容值產(chǎn)生變化時(shí)形成電壓變化.介電彈性體膜兩面涂覆柔性電極[6,12],構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖4所示.

1.柔性電極;2.介電彈性體膜

介電彈性體膜形成的電容是非線性的電容[12].文獻(xiàn)[13- 14]利用PSPICE軟件對(duì)非線性可變電容進(jìn)行建模，以間距變化量xt作為輸入，以電壓Vout作為輸出，通過(guò)類(lèi)比將機(jī)械部分和電路部分結(jié)合進(jìn)行建模.該模型將力類(lèi)比為電流，速度類(lèi)比為電壓.類(lèi)比以后的模型如圖5所示.圖5中:Gi是輸入力;Vd是電流控制的電壓源;G1,G2分別是V1,V2電壓控制的電流源;RL是等效負(fù)載阻抗:

(2)

式(1)～式(2)中:qt是t時(shí)刻介電彈性體電荷量;xt是t時(shí)刻位移增加量;ε0是空氣的相對(duì)電容率;At是t時(shí)刻膜的面積.虛線框1表示的是根據(jù)公式(3)所示的積分電路;虛線框2是可變電容輸出電路.

DEG的比能量密度較大，材料柔性較大，適用于一些大變形的場(chǎng)合.由于受外置高壓偏置電源的限制，DEG運(yùn)用場(chǎng)合受到很多限制，解決高壓偏置電源是推動(dòng)其技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵.DEG結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適用范圍廣，解決其目前存在問(wèn)題后勢(shì)必會(huì)被廣泛運(yùn)用.

圖5 DEG機(jī)電耦合等效模型

1.3 電磁式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)電耦合等效電路

電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)根據(jù)振動(dòng)器件可以分為3種類(lèi)型[4,7]：動(dòng)鐵型、線圈振動(dòng)型、鐵圈同振型.以動(dòng)鐵型為例，永磁磁鐵為振動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)如圖6所示[15- 16].在外力作用下磁鐵運(yùn)動(dòng)，線圈中的磁通量產(chǎn)生改變，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，磁通量的改變會(huì)使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流[17- 18].

1.質(zhì)量塊;2.底座;3.彈簧;4.永磁磁鐵;5.線圈

圖7 電磁式線圈振動(dòng)發(fā)電機(jī)機(jī)電耦合等效模型

圖7所示為電磁式線圈振動(dòng)發(fā)電機(jī)機(jī)電耦合等效模型[19]，其中輸入力用電流源表示，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用V(t)表示，感應(yīng)電流用i(t)表示.機(jī)械結(jié)構(gòu)包括等效電阻(Rm)、電感(Lm)和電容(Cm)，其中

(5)

式(4)～式(6)中:θ是機(jī)電耦合系數(shù);c是阻尼系數(shù);k是彈簧勁度系數(shù);m是質(zhì)量塊和線圈的質(zhì)量和.圖7中,Lc和Rc分別是線圈等效的電感和電阻值，RL是等效負(fù)載阻抗.

電磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電量較大，適用于負(fù)載功率較大的場(chǎng)合，但其體積較大，且能量密度較低，適用場(chǎng)合受到限制.將電磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)與其他2種發(fā)電機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)出新的發(fā)電結(jié)構(gòu),可以同時(shí)滿足不同場(chǎng)合和負(fù)載功率的要求，可以進(jìn)一步擴(kuò)大微型發(fā)電機(jī)的適用范圍.

表1為上述3種發(fā)電技術(shù)參數(shù)及其特點(diǎn)的對(duì)比[6].3種發(fā)電技術(shù)各有特點(diǎn)，在選用發(fā)電機(jī)的問(wèn)題上，應(yīng)綜合考慮負(fù)載功率、運(yùn)用場(chǎng)合及成本.同時(shí)還應(yīng)該考慮到后續(xù)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，可將設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為與其對(duì)應(yīng)的機(jī)電耦合模型，在確定合適的能量收集電路和儲(chǔ)能器件后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，避免提高了單一環(huán)節(jié)效率卻降低了整體效率的情況.在將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)電耦合模型的過(guò)程中，如何確定發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)是目前機(jī)電耦合等效模型建立的難題.

表1 3種發(fā)電技術(shù)對(duì)比

2 能量收集電路

能量收集電路可以收集換能器件產(chǎn)生的電能，并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電能.換能裝置產(chǎn)生的電能比較微弱，要求能量收集電路具有低損耗的特性，以提高能量轉(zhuǎn)換效率.

2.1 壓電能量收集電路

壓電懸臂梁的壓電層在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在拉伸和收縮狀態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)換，輸出交流電，收集利用之前需要將其轉(zhuǎn)換為直流電[20].通常使用整流橋作為壓電能量收集電路，這種電路叫做標(biāo)準(zhǔn)接口電路[21]，如圖8所示.

圖8 標(biāo)準(zhǔn)接口電路

在標(biāo)準(zhǔn)接口電路的基礎(chǔ)上，填谷電路[22]、并聯(lián)電感同步開(kāi)關(guān)(synchronized switch harvesting on inductor,SSHI)電路[23- 24]、電流斷續(xù)模式(discontinuous current mode,DCM)下的升降壓變換器電路[11,17]等典型電路被提出.

2.1.1 填谷電路

填谷電路由2個(gè)電容和3個(gè)二極管組成，如圖9所示.填谷電路替代了標(biāo)準(zhǔn)接口電路中的電容Cr.當(dāng)外部電路對(duì)其充電時(shí)，D4導(dǎo)通，D2和D3截止，電容C1和C2串聯(lián)，電容值降低；當(dāng)外部電路停止充電時(shí)，D2和D3導(dǎo)通,D4截止，電容C1和C2并聯(lián)，電容值增大.

圖9 填谷電路

填谷電路需要的器件少，不需要外界控制電路，無(wú)需額外電源，體積小，成本低.文獻(xiàn)[22]對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)接口電路與填谷電路帶負(fù)載的能力，發(fā)現(xiàn)填谷電路帶負(fù)載能力較標(biāo)準(zhǔn)接口電路上升33%.該電路由于沒(méi)有控制電路，不能對(duì)輸出進(jìn)行有效調(diào)控，可調(diào)性能差，可對(duì)其加入能自供電的控制回路，不僅避免額外電源的問(wèn)題，還能有效調(diào)控輸出電壓.

2.1.2 電感同步開(kāi)關(guān)(SSHI)電路

SSHI電路是在標(biāo)準(zhǔn)接口電路的基礎(chǔ)上加入一個(gè)電感和同步開(kāi)關(guān)的模式，SSHI電路利用L-C振蕩電路的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓翻轉(zhuǎn).某一時(shí)刻t1，壓電發(fā)電產(chǎn)生的電壓小于濾波電容Cr的電壓，整流橋處于截止?fàn)顟B(tài)，開(kāi)關(guān)S閉合，電感L和壓電發(fā)電機(jī)的等效電容構(gòu)成一個(gè)L-C振蕩電路，該振蕩電路的頻率遠(yuǎn)大于壓電發(fā)電機(jī)的機(jī)械頻率，電壓的翻轉(zhuǎn)在非常短的時(shí)間內(nèi)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖10.翻轉(zhuǎn)后的t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，此時(shí),壓電發(fā)電機(jī)兩端產(chǎn)生高于電容濾波電容Cr的電壓，整流橋?qū)?，壓電發(fā)電機(jī)的輸出電壓與位移同步.

SSHI電路能夠更快地輸出電流，提高能量收集效率.但開(kāi)關(guān)S需要外部控制電路，且電感L和開(kāi)關(guān)S也存在一定的能量損耗[24].文獻(xiàn)[23]中提出SSHI電路可以將壓電懸臂梁輸出的電壓轉(zhuǎn)換為矩形波,有效增大負(fù)載兩端電壓，從而提高輸出功率；當(dāng)負(fù)載為20 kΩ時(shí)，輸出功率比標(biāo)準(zhǔn)接口電路提高14.8%.文獻(xiàn)[24]對(duì)SSHI技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于電感的并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)收集電路(parallel synchronized switch harvesting on inductor,P- SSHI).仿真發(fā)現(xiàn),該電路收集到的能量相比標(biāo)準(zhǔn)接口電路提高5倍以上.

圖10 并聯(lián)電感同步開(kāi)關(guān)(SSHI)電路

2.1.3 電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路

電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路是在標(biāo)準(zhǔn)接口電路的基礎(chǔ)上加入一個(gè)開(kāi)關(guān)、傳感器、二極管和電感的模式，如圖11所示.該電路通過(guò)控制占空比,使得升降壓變換器工作在2個(gè)模式：最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)模式與輸出電壓調(diào)節(jié)模式.

圖11 電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路

設(shè)定閥值電壓VHT和VLT，當(dāng)VLTVHT時(shí)，控制單元開(kāi)關(guān)S的控制信號(hào)占空比，使得升降壓變換器工作在輸出電壓調(diào)節(jié)模式.

電流斷續(xù)模式(DCM)下的升降壓變換器電路可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓，使其輸出電壓穩(wěn)定，但控制單元的電能消耗不可忽視.文獻(xiàn)[11]中的壓電發(fā)電機(jī)在44 Hz時(shí)達(dá)到諧振頻率，此時(shí)輸出最大功率3.5 mW，能量轉(zhuǎn)換效率為53%；控制單元和二極管消耗能量最大，占總損失能量的64%.文獻(xiàn)[17]利用該電路可以實(shí)現(xiàn)控制單元自供電,并且輸出1.6～5.5 V的電壓，能量轉(zhuǎn)換效率在84%以上.

SSHI電路及升降壓變換器電路可以提高轉(zhuǎn)換效率，控制輸出電壓,但其開(kāi)關(guān)及電感的損耗不容忽視，未來(lái)可以采用新型材料的柔性開(kāi)關(guān)替代，減少損耗，提高效率.

2.2 DEG能量收集電路

DEG典型的能量收集電路有3種：升降壓變換器電路[25]、自吸式電路(self- priming circuit,SPC)[26- 29]、電感同步開(kāi)關(guān)(SSHI)電路[30].

2.2.1 自吸式電路(SPC)

自吸式電路與填谷電路相似，由二極管與電容組成.文獻(xiàn)[27]提出多級(jí)電荷泵電路和集成自吸式電路(integrated self- priming,ISPC).Mckay等[26]對(duì)多級(jí)電荷泵電路進(jìn)行仿真，并對(duì)DEG電容值、電荷泵級(jí)數(shù)和電荷泵電容值之間的關(guān)系進(jìn)行研究，得出了某一DEG電容值對(duì)應(yīng)的最優(yōu)電荷泵級(jí)數(shù)和電荷泵電容值.多級(jí)電荷泵電路如圖12所示，虛線代表省略的級(jí)數(shù)，圖中電容值為最優(yōu)電荷泵電容值.DEG在發(fā)電過(guò)程中，SPC在高壓低電荷狀態(tài)和低壓高電荷狀態(tài)之間切換.該電路能在DEG運(yùn)行多個(gè)周期后實(shí)現(xiàn)自偏置的功能.

圖12 多級(jí)電荷泵電路

集成自吸式電路(ISPC)將DEG作為SPC的電容.Mckay等[26- 28]提出了二級(jí)ISPC，如圖13所示，把原SPC中的電容用DEG替代，減少器件數(shù)量，提高發(fā)電裝置的能量密度.單級(jí)的ISPC看作2個(gè)可變電容在180°的相位差下工作，機(jī)械能引發(fā)的電容振蕩為電荷泵提供額外的能量,使其工作.二級(jí)ISPC的工作頻率是單級(jí)的2倍,且每個(gè)周期可以產(chǎn)生2次電壓峰.

圖13 二級(jí)集成自吸式電路

文獻(xiàn)[26]采用上述電路可以經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)周期將電壓由10 V泵升為3.25 kV.同時(shí)文獻(xiàn)[26]還提出DEG偏置電壓升高時(shí)，發(fā)電效率和電壓增大，在偏置電壓達(dá)到2 kV時(shí)，效率可以達(dá)到84%.文獻(xiàn)[28]采用上述電路，以10 V電源作為偏置電源，在4.7 s時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電壓泵升為2 kV，分析認(rèn)為，主要損耗是介電彈性體粘彈力特性產(chǎn)生的.

2.2.2 升降壓變換器電路

升降壓變換器電路利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)升降壓的功能，如圖14所示.當(dāng)介電彈性體被外力拉伸的時(shí)候，升降壓變換器電路工作在升壓變換器狀態(tài)，能量由電容C傳遞到DEG；當(dāng)介電彈性體收縮的時(shí)候，升降壓變換器電路工作在降壓變換器狀態(tài)，能量由DEG傳遞到電容C.文獻(xiàn)[25]將能量收集基本電路和升降壓變換器電路對(duì)比，發(fā)現(xiàn)能量收集基本電路的效率只有12.1%.效率低的主要原因是DEG拉伸過(guò)程中需要偏置高壓所致；升降壓變換器電路與理論仿真相比，該電路可以到達(dá)理論最大能量的90%.

另外，亦可采用與前文壓電發(fā)電機(jī)中相似的電感同步開(kāi)關(guān)(SSHI)電路.

圖14 升降壓變換器電路

2.3 電磁振動(dòng)能量收集電路

電磁振動(dòng)能量采用的收集電路與上述2類(lèi)換能裝置中采用的電路大致相似.Wang等[31]將標(biāo)準(zhǔn)整流電路、同步電荷萃取電路(synchronous electric charge extraction,SECE)、并聯(lián)SSHI和串聯(lián)SSHI電路進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)頻率分析，4種電路能量收集功率和效率都可以由無(wú)量綱電阻(RN)和等效力系數(shù)(αN)表示.Cao等[15]在基本整流電路基礎(chǔ)上提出前饋和反饋控制電路，可以使電磁振動(dòng)換能器件最大功率達(dá)到35 mW并成功驅(qū)動(dòng)4個(gè)加速度計(jì).

除了上述提到的幾類(lèi)收集電路外，一些微型能量收集裝置(例如Mide Technology Corporation, Medford, Massachusetts, USA)和集成電路芯片(例如Linear Technology Corporation, Milpitas, California, USA)已經(jīng)被商業(yè)化生產(chǎn)[5].另外，目前微能量收集裝置集成電路包括基于機(jī)械振動(dòng)、電磁式能量收集、光電轉(zhuǎn)換、熱能收集等.基于DEG的集成電路產(chǎn)品還比較少見(jiàn)，有較大的研究空間.

通過(guò)分析上述各類(lèi)收集電路后發(fā)現(xiàn),電荷泵電路及其演變的集成自吸式電路可以?xún)?yōu)化后作為自偏置電路使用，使得微能量收集系統(tǒng)不需要外界輔助電源就可以進(jìn)行能量收集、轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電能為系統(tǒng)控制單元提供能量，并將剩余的能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器件中.整個(gè)能量收集過(guò)程不需要外界輔助能源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自行運(yùn)轉(zhuǎn)，這也是微能量系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì).在系統(tǒng)效率方面，僅對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可能會(huì)使電路轉(zhuǎn)換效率提高而機(jī)電耦合能力下降或儲(chǔ)能效率降低.因此,在改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)也應(yīng)該調(diào)整其他環(huán)節(jié)參數(shù),使得整個(gè)系統(tǒng)的效率提高.

3 儲(chǔ)能器件及特性參數(shù)

儲(chǔ)能器件的作用是儲(chǔ)存電能，為負(fù)載提供穩(wěn)定輸出.其特性不僅影響系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，還會(huì)影響負(fù)載的工作情況.儲(chǔ)能器件的特性研究也是微能量收集系統(tǒng)研究的重要部分.

3.1 儲(chǔ)能器件

目前能量?jī)?chǔ)存器件主要有3類(lèi)[32]：

3.1.1 電容器

電容器[33- 34]可以分為普通電容和超級(jí)電容.標(biāo)準(zhǔn)收集電路通常采用鋁電解電容作為紋波電容.實(shí)驗(yàn)表明，電解電容的充放電速度都比較快，容量較大的電容其體積也比較大，不能滿足微能量?jī)?chǔ)存的設(shè)計(jì)要求[32].

超級(jí)電容是近幾年發(fā)展起來(lái)的專(zhuān)門(mén)用于能量?jī)?chǔ)存的特殊電容器.它是一種介于普通電容器和蓄電池之間的儲(chǔ)能器件，作為一種新型儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容有以下優(yōu)點(diǎn)：電容量大，充放電壽命長(zhǎng)，能提供比較大的放電電流，充電時(shí)間短，正常工作溫度范圍廣等.

3.1.2 充電電池

充電電池按照化學(xué)成分可以分為鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池[35].鉛蓄電池能量密度低，鎳鎘電池具有記憶效應(yīng)，不適合短時(shí)間充電，因此,這2種電池沒(méi)有被用作微能量?jī)?chǔ)能器件.鎳氫電池不需要電荷控制和電壓校正電路，儲(chǔ)能電路簡(jiǎn)單，但其能量密度不如鋰電池高.鋰離子電池能量密度高，但需要復(fù)雜的充電電路.充電電池也存在一定的問(wèn)題，如充放電壽命短，充電時(shí)間長(zhǎng)等.

3.1.3 超導(dǎo)體

超導(dǎo)體具有三大基本特性：零電阻、邁斯拉效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)[3].但由于其受工作溫度的限制，超導(dǎo)體儲(chǔ)能并不適用于微能量存儲(chǔ).

3.2 儲(chǔ)能器件特性參數(shù)

文獻(xiàn)[36]對(duì)幾種主要儲(chǔ)能器件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行對(duì)比，如表2所示.

文獻(xiàn)[37]用相同條件下的壓電發(fā)電機(jī)對(duì)超級(jí)電容、鋰電池和鎳氫電池進(jìn)行充電，當(dāng)開(kāi)路電壓為24 V時(shí)，超級(jí)電容、鋰電池和鎳氫電池的充電效率分別為95%，92%和65%.文獻(xiàn)[38]將電容和電池能量存儲(chǔ)性能進(jìn)行比較試驗(yàn)，電容的充電時(shí)間短、電池的充電時(shí)間長(zhǎng)，并且不能立即使用，但是電池提供的電壓比較穩(wěn)定.對(duì)比發(fā)現(xiàn),鋰電池能量密度大，能量利用率高，適用于微能量?jī)?chǔ)存.

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

將超級(jí)電容和鋰電池相結(jié)合作為儲(chǔ)能器件值得深入研究，利用電容充電的快速性，然后由電容給電池充電，保證輸出電壓的穩(wěn)定.根據(jù)負(fù)載，選定合適的組合儲(chǔ)能器件后，將組合形式的儲(chǔ)能器件建立對(duì)應(yīng)電學(xué)模型，與上述機(jī)電耦合等效模型和收集電路結(jié)合，建立整個(gè)系統(tǒng)模型.同時(shí)可以根據(jù)收集電路的輸出調(diào)整組合儲(chǔ)能器件的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化收集電路，提高能量存儲(chǔ)效率.

4 結(jié) 論

本文研究分析了當(dāng)前換能裝置研究中典型的3種發(fā)電結(jié)構(gòu)、能量收集電路和儲(chǔ)能裝置.分析發(fā)現(xiàn),帶控制單元的能量收集電路效率高，但相比其他電路，控制單元的能量損耗也不可忽視.優(yōu)化后的自偏置電路可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自供電，不需要外界輔助能源為控制單元供電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自行運(yùn)轉(zhuǎn).對(duì)比發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)能裝置中超級(jí)電容特性較好，但其放電特性不如鋰電池.

目前能量收集電路和儲(chǔ)能裝置的獨(dú)立研究較多，但將兩者結(jié)合的研究較少，因此,通過(guò)控制單元將能量收集電路與組合形式的儲(chǔ)能裝置相結(jié)合有較大的研究空間.本文分析認(rèn)為,未來(lái)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究，以推動(dòng)相關(guān)技術(shù)取得進(jìn)展：

1)微能量收集電路集成化.電路的電能損耗在微能量收集系統(tǒng)中占很大比例，收集電路集成化既可以減小占用體積，又可以降低電路損耗.

2)控制單元將微能量收集系統(tǒng)的各部分進(jìn)行整合.例如升降壓變換電路中，可以將換能裝置的某一參數(shù)作為前饋信號(hào)，將儲(chǔ)能裝置的某一參數(shù)作為反饋信號(hào)，控制單元根據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的占空比，將系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證輸出穩(wěn)定性的前提下，提高能量裝換效率.

3)微能量收集系統(tǒng)參數(shù)可調(diào).目前微能量收集系統(tǒng)難以大量生產(chǎn)，主要原因是負(fù)載與工作環(huán)境，特定負(fù)載與工作環(huán)境對(duì)微能量收集系統(tǒng)參數(shù)要求不同.若微能量收集系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)，對(duì)收集電路及儲(chǔ)能器件參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，可以使其適合更多的工作負(fù)載和環(huán)境.

4)超級(jí)電容與鋰電池結(jié)合作為儲(chǔ)能器件，保證充電的快速性和輸出的穩(wěn)定性.

5)較之壓電式和電磁式發(fā)電機(jī)，DEG具有其特殊的性能，未來(lái)具有廣泛的應(yīng)用前景.

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(責(zé)任編輯 杜利民)

Research on micro energy harvesting technology and energy storage device

E Shiju, GUO Zhuang, CAO Jianbo, REN Yuxue,JIN Jianhua, CAI Jiancheng, ZHU Xilin, ZHOU Wu

(CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

In order to improve the conversion efficiency of micro energy harvesting, three typical generators were studied and their equivalent circuits were analyzed. The working principles, advantages and disadvantages and energy conversion efficiency of three energy harvesting devices were discussed. Typical energy storage devices were compared. The results showed that the energy harvesting circuit with control unit was the most effective one, supercapacitor and lithium battery were suitable for micro energy harvesting system. Based on the analyses, some advises were proposed for the micro energy harvesting technology and energy storage devices. Combining the energy harvesting circuits with control unit and combined form of energy storage system would be one of the directions for further research on the efficiency of micro energy harvesting system.

micro energy harvesting system; energy conversion device; harvesting circuit; energy storage device

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.004

2016- 09- 12；

2016- 11- 21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377146;51407162;51405450);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY17E070001)

鄂世舉(1970-)，男，吉林長(zhǎng)春人，教授，博士.研究方向：新型功能材料驅(qū)動(dòng)與發(fā)電.

曹建波.E- mail: cjb@zjnu.cn

TM13

A

1001- 5051(2017)02- 0137- 09