关键词:
压电能量收集
二倍压
并联同步开关接口电路
自供电
高阻抗负载
摘要:
随着科学和技术的进步,人们在电力电子与信息技术方面的了解越来越丰富,各种微小的电力电子元件和信号收发设备越来越多的被投入到人类生活和生产的方方面面。为了在各种环境下保证各种小型仪器的使用,供能问题成为了亟待解决的首要问题之一。传统的通过电网供电和电池供电等手段已经难以在部分恶劣环境下可靠的为小型电力电子仪器提供能源,安装电池也需要人员定期进行更换。在这种技术背景下,本文针对能源获取问题,研究并探讨了利用压电能量收集装置收集能量。
本文基于二倍压技术,在并联的自供电式同步开关接口电路的基础上,改良压电能量收集电路结构的设计,增大其在高阻抗负载下收集功率的能力。本文研究并对比了国内外相关的各种先进压电能量收集技术,做出了如下工作:
(1)压电能量收集电路理论的研究
描述了压电能量收集技术的时代背景和现实意义,研究并列举了SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI等传统压电能量收集电路的基础理论,拓扑结构和数学模型,并进行对比分析。
(2)用于高阻抗负载的新型压电能量收集电路的研究
针对现有压电能量收集电路的在负载阻抗较大时收集能量相对较低的缺点和不足,对并联的自供能式同步开关接口电路进行改进,设计并提出了一种利用压电能量收集原理的新型的适用于高阻抗负载的并联型二倍压自供电同步开关接口电路。新型电路在传统并联的同步开关接口电路与二倍压结构相结合,在保证压电片持续对负载进行供电的基础上提高了其对负载输出的电压,以增大当负载阻抗较大时电路对其输出电能的能力。
(3)实现高阻抗负载的新型电路的性能验证
通过对传统电路和本文提出的新型电路进行对比仿真和实验,验证了本文所提出的适用于高阻抗负载的压电能量收集电路在负载阻抗较大时,对负载输出电能的能力相比传统电路的优越性。当压电片应用于本文设计的适用于高阻抗的压电能量收集电路中其内部等效电容值为490 n F时,本文提出的新型电路最大可以输出近2倍的当标准能量收集电路(Standard energy harvesting,SEH)最大可输出的能量。本文提出的电路的最佳负载阻值接近SEH电路的8倍。当振动频率为50Hz时,本文提出的新型电路的开路电压可以达到SEH电路的2倍。