一種振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)耦合建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓電材料振動(dòng)發(fā)電領(lǐng)域，特別設(shè)及一種振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)禪合建模方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微機(jī)電（MEMS)、低功耗電路設(shè)計(jì)等技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器的體積和功 耗越來越小，該使得俘獲環(huán)境中的其它能量并轉(zhuǎn)化為電能可W滿足無線傳感器工作需求， 從而無需外部電源或電池供電。特別地，環(huán)境中振動(dòng)能量普遍存在，目前可W通過壓電式、 電磁式和靜電式=種途徑實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量俘獲，其中尤W振動(dòng)壓電俘能受到關(guān)注最多，該是 因?yàn)樗哪芰棵芏雀摺⒁子谖⑿』伞?br>[0003] 由于壓電振動(dòng)發(fā)電輸出的是大電壓、高阻抗的交流電，并不能直接為無線傳感器 等電負(fù)載直接供電，需要將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓。為此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的振動(dòng)壓電俘能系 統(tǒng)一般由壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)和接口電路兩部分組成，壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)一般采用懸臂梁形式，它的 功能是收集輸入的振動(dòng)源能量并輸出交流電壓，接口電路的功能是將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)輸出的 交流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓。
[0004] 為了提高振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，需要針對給定的振動(dòng)激勵(lì)對壓電發(fā)電結(jié) 構(gòu)和接口電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但目前該兩方面的研究大多是相互獨(dú)立的，對壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 與接口電路之間的禪合作用考慮較少，比如很多研究僅關(guān)注優(yōu)化設(shè)計(jì)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的參 數(shù)，使其與振動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生共振。但是，由于壓電材料逆壓電效應(yīng)的存在，實(shí)際中該部分之間 存在非常緊密的禪合關(guān)系，也即當(dāng)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)連接接口電路后，接口電路和負(fù)載會(huì)影響 壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)，而壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)的變化又會(huì)導(dǎo)致輸出交流電壓產(chǎn)生改 變，進(jìn)而影響振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)化效率，該就意味著采用分開優(yōu)化后的壓電發(fā)電 結(jié)構(gòu)與接口電路連接起來工作，并不能獲得最高的電能轉(zhuǎn)化效率，該對實(shí)際應(yīng)用是很不利 的。為此，迫切需要對壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)與接口電路作進(jìn)行禪合建模，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 與接口電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對給定振動(dòng)源，提供一種振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)禪合建 模方法，使得能同時(shí)對壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)與接口電路進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最高的系統(tǒng)整體電能 轉(zhuǎn)化效率。具體技術(shù)方案如下；
[0006] 本發(fā)明提供了一種振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)禪合建模方法，包括W下步驟，
[0007] (S1)根據(jù)機(jī)械量和電學(xué)量之間的對等類比關(guān)系，建立壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的等效電學(xué)模 型；具體為：
[000引 （S11)將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)由等效質(zhì)量、等效阻巧、等效剛度W及機(jī)電禪合 單元構(gòu)成的單自由度壓電振子模型；
[0009] (S12)根據(jù)機(jī)械量和電學(xué)量之間的對應(yīng)類比關(guān)系，將等效質(zhì)量對應(yīng)電感、等效阻巧 對應(yīng)電阻、等效剛度對應(yīng)電容、振動(dòng)速度對應(yīng)等效電流；
[0010] (S13)建立壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的等效電學(xué)模型；
[0011] 悅）建立壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的有限元模型，估計(jì)等效電學(xué)模型參數(shù)；
[0012] (S21)采用有限元軟件建立壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的有限元模型；
[0013] (S22)通過設(shè)置短路邊界條件，估計(jì)短路特征頻率；通過設(shè)置開路邊界條件，估計(jì) 開路特征頻率；通過施加直流電壓，估計(jì)產(chǎn)生的輸出總電荷；通過在自由端施加作用力，估 計(jì)開路輸出電壓；
[0014] (S23)根據(jù)短路特征頻率、開路特征頻率、總電荷、開路輸出電壓分別計(jì)算等效電 學(xué)模型的電感、電阻、電容、電壓源參數(shù)；
[0015] (S3)將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的寄生電容和接口電路等效為一個(gè)電阻抗，其大小等于接口 電路兩端電壓除W流入電流；
[0016] (S4)將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的等效電學(xué)模型與所述步驟（S3)中的等效電阻抗相連接， 建立振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的禪合模型。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟（S22)的具體過程為：
[0018] 1)將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端與地連接，使其處于短路狀態(tài)，計(jì)算其短路共振頻 率.
[0019] 2)將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端懸空，使得處于開路狀態(tài)，計(jì)算其開路共振頻率；
[0020] 3)在壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)上施加直流電壓，計(jì)算穩(wěn)態(tài)下的輸出總電荷；
[0021] 4)分別在壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)自由端施加兩組作用力，計(jì)算相應(yīng)的開路兩個(gè)輸出電壓。
[0022] 采用本發(fā)明應(yīng)用于振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)具有如下有益效果：一是適用于任意形狀的 懸臂梁壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)；二是計(jì)算過程簡單、計(jì)算量?。?是可W對壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)和接口電 路進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化。
【附圖說明】
[0023] 圖1是一種振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明方法的過程示意圖；
[00巧]圖3是壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的單自由度壓電振子模型示意圖；
[0026] 圖4是壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的電學(xué)等效模型示意圖；
[0027] 圖5是接口電路的等效電阻抗模型示意圖；
[0028]圖6是本發(fā)明的振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)禪合模型示意圖；
[0029] 圖7是實(shí)施案例采用的振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0031] 為便于理解本發(fā)明，先將現(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)作介紹。如圖 1所示一種振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；包括壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)1、接口電路2,壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 包括基座3、彈性基體4、壓電陶瓷片5和兩個(gè)電極6;彈性基體4 一端夾持在基座3上構(gòu)成 懸臂梁；壓電陶瓷片5粘貼在彈性基體4的上、下表面；電極6分別鍛在壓電陶瓷片5的上、 下兩個(gè)外表面上；接口電路2連接所述電極；振動(dòng)激勵(lì)F作用在基座3上，接口電路輸出端 輸出直流電壓V"ut。所述壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)采用懸臂梁形式，所述壓電陶瓷片可W采用串聯(lián)或并 聯(lián)連接；在實(shí)施過程中，接口電路既可W是全波橋式整流電路，也可采用是并聯(lián)或串聯(lián)同步 開關(guān)非線性整流電路。
[0032] 如圖2所示的本發(fā)明方法的過程示意圖，一種振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)禪合建模方法， 包括W下步驟：
[0033] (S1)根據(jù)機(jī)械量和電學(xué)量之間的對等類比關(guān)系，建立壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的等效電學(xué)模 型；
[0034] 如圖3所示，首先將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)由等效質(zhì)量M。。、等效阻巧C。。、等效剛 度K。?；皺C(jī)電禪合單元aVp(a是壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的力-壓禪合因子，Vp是壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)電 極兩端電壓）構(gòu)成的單自由度壓電振子模型，圖中F表示振動(dòng)激勵(lì)，X表示振動(dòng)位移；然后 根據(jù)機(jī)械量和電學(xué)量之間的對應(yīng)類比關(guān)系，即等效質(zhì)量M。。對應(yīng)電感L、等效阻巧C。。對應(yīng)電 阻R、等效剛度K。。對應(yīng)電容C、振動(dòng)速度X對應(yīng)等效電流i。。，上述對應(yīng)關(guān)系分別如下：
[00巧]
[003引最終，建立壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的等效電壓源模型，如圖4所示，圖中，Cp是壓電發(fā)電結(jié)構(gòu) 的寄生電容，V。。是等效電壓源；串聯(lián)電感U電容C、電阻R、壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的寄生電容Cp和 等效電壓源V。。。
[0037] 悅）建立壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的有限元模型，估計(jì)上述等效電學(xué)模型參數(shù)；
[0038] (S21)利用有限元軟件（實(shí)施例中可W選擇Ansys軟件或者Comsol軟件）建立壓 電發(fā)電結(jié)構(gòu)的有限元模型；
[0039] (S22)計(jì)算短路特征頻率、開路特征頻率、總電荷、開路輸出電壓；
[0040] 1)將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端與地連接，使其處于短路狀態(tài)，計(jì)算其短路共振頻率 f'sc;
[0041] 2)將壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端懸空，使得處于開路狀態(tài)，計(jì)算其開路共振頻率f。。；
[004引 3)在壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)上施加大小為Vm的直流電壓，計(jì)算穩(wěn)態(tài)下的輸出總電荷Qt;
[004引 4)分別在壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)自由端施加兩組作用力Fi=fiCOS?it，F(xiàn)2=