压电多方向振动能量收集结构及其充电控制方法的研究

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1、NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringInVestigationsonMultidirectionalPiezoelectricVibrationEnergyHarvestersandTheirChargingControlMethodsAThesisinInstrumentScienceandTechnology(IntelligentMonitoringandContr01)byZhuLiyaAdvisedbyProf．Che

2、nRenwenSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyOctober,2012承诺书本人声明所呈交的博／硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学

3、位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：差面丝日期：加，彳．支2占南京航空航天大学博士学位论文摘要随着大规模集成电路技术、超精密加工技术及网络通信技术的发展，各种微机电系统及微小型电子设备的应用日趋广泛。目前，多数微小型电子设备供电依赖于电池或电线供电。使用电池或电线供电存在代价大、更换困难、污染严重等问题，寻找清洁、可再生的能量取代传统供电方式是解决能量问题的关键所在。压电式振动能量收集技术因其能量转换效率高、结构简单、易于实现微型化与集成化等优点，成为研究较为集中的能量收集技术。本项目组针对目前所研究的压电式振动能量收集结构只能对单一方向振动激励进行能量收集的特点，提出

4、并研制了立方体一球状及蒲公英状多方向振动能量收集器。本文主要研究了多方向振动能量收集结构中各压电换能元件输出信号电学特征，完成了相应充电控制电路拓扑的设计及其无源开关策略实现，并研究了面向振动能量收集结构的自适应频率调谐方法，以提高其对外界频率的适应性。主要研究工作及创新点如下：首先从压电能量收集结构基本工作原理出发，结合压电方程和振动理论给出了一种典型压电能量收集结构⋯悬臂梁式压电振动能量收集结构的输出功率的理论模型。在此基础上建立了立方体一球、蒲公英状多方向振动能量收集结构的动力学模型，并分析了不同压电换能元件上输出的电压或电流信号之间的幅值、相位关系，为下一步充电电

5、路设计提供了依据。针对单电荷源情况，提出了一种改进的无源同步电荷提取(SCE)电路，及一种基于倍流整流的同步开关电感(SSHI．CDR)电路，并对开关电路中所采用的无源开关(ElectronicBreaker)策略进行了理论分析。其中，改进的SCE电路输出功率为经典AC．DC电路最大输出功率的2．98倍。且该电路输出功率恒定，解决了能量收集电路输出功率受负载影响的问题。新型SSHI．CDR电路有效利用了开关过程中电感剩余磁能，在一个机械振动周期内完成四次充电过程，最大输出功率为已有串联同步开关电感(SeriesSSHI)电路的1．8倍，为经典AC．DC电路的8．4倍。同时

6、，证明了将ElectronicBreaker开关电路分别与SCE及并联同步开关电感(ParallelSSHI)电路结合，可以实现不同开关时间，且该开关电路功耗极低，可以实现各类开关电路的能量自给。针对多方向振动能量收集结构的特殊情况，首先提出了多源全桥并联电路与多源全桥串联电路，然后将单电荷源下所提出的改进的无源SCE电路及ParallelSSHI电路应用于多电荷源情况，最后提出一种基于倍压整流的同步开关电感(SSHI．Ⅵ)R)电路。其中，多源全桥并联电路与多源全桥串联电路下，输出功率分别为单电荷源下经典AC．DC电路的1．98倍与1．96倍。多源SCE电路及多源Para

7、llelSSHI电路下，输出功率分别为多源全桥并联电路的4倍与14．36倍。而新型多源SSHI—VDR电路的最大输出功率达到多源ParallelSSHI电路最大输出功率的1．55倍。同时证明了上述多方向能量收集电路输出功率均不受电荷源相位差影响，适合相位差变化的多源情况。最后，设计了一种低功耗电能调理电路，结合能量收集接口电路，可以输出稳定的3．6V直压电多方向振动能量收集结构及其充电控制方法研究流电压。为解决能量收集结构输出功率受激励频率影响的问题，提出了～种改进的半主动自适应频率调谐策略。以立方体状多方向能量收集结构为研究