一種振動壓電俘能系統耦合建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于壓電材料振動發電領域，特別設及一種振動壓電俘能系統禪合建模方 法。
【背景技術】
[0002] 隨著微機電（MEMS)、低功耗電路設計等技術的飛速發展，無線傳感器的體積和功 耗越來越小，該使得俘獲環境中的其它能量并轉化為電能可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，環境中振動能量普遍存在，目前可W通過壓電式、 電磁式和靜電式=種途徑實現振動能量俘獲，其中尤W振動壓電俘能受到關注最多，該是 因為它的能量密度高、易于微小化集成。
[0003] 由于壓電振動發電輸出的是大電壓、高阻抗的交流電，并不能直接為無線傳感器 等電負載直接供電，需要將交流電壓轉化為直流電壓。為此，實際應用時的振動壓電俘能系 統一般由壓電發電結構和接口電路兩部分組成，壓電發電結構一般采用懸臂梁形式，它的 功能是收集輸入的振動源能量并輸出交流電壓，接口電路的功能是將壓電發電結構輸出的 交流電壓轉化為穩定的直流電壓。
[0004] 為了提高振動壓電俘能系統的轉化效率，需要針對給定的振動激勵對壓電發電結 構和接口電路進行優化設計。但目前該兩方面的研究大多是相互獨立的，對壓電發電結構 與接口電路之間的禪合作用考慮較少，比如很多研究僅關注優化設計壓電發電結構的參 數，使其與振動激勵產生共振。但是，由于壓電材料逆壓電效應的存在，實際中該部分之間 存在非常緊密的禪合關系，也即當壓電發電結構連接接口電路后，接口電路和負載會影響 壓電發電結構的振動狀態，而壓電發電結構振動狀態的變化又會導致輸出交流電壓產生改 變，進而影響振動壓電俘能系統的整體轉化效率，該就意味著采用分開優化后的壓電發電 結構與接口電路連接起來工作，并不能獲得最高的電能轉化效率，該對實際應用是很不利 的。為此，迫切需要對壓電發電結構與接口電路作進行禪合建模，實現同時對壓電發電結構 與接口電路進行優化設計。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是針對給定振動源，提供一種振動壓電俘能系統禪合建 模方法，使得能同時對壓電發電結構與接口電路進行優化，從而獲得最高的系統整體電能 轉化效率。具體技術方案如下；
[0006] 本發明提供了一種振動壓電俘能系統禪合建模方法，包括W下步驟，
[0007] (S1)根據機械量和電學量之間的對等類比關系，建立壓電發電結構的等效電學模 型；具體為：
[000引 （S11)將壓電發電結構簡化為一個由等效質量、等效阻巧、等效剛度W及機電禪合 單元構成的單自由度壓電振子模型；
[0009] (S12)根據機械量和電學量之間的對應類比關系，將等效質量對應電感、等效阻巧 對應電阻、等效剛度對應電容、振動速度對應等效電流；
[0010] (S13)建立壓電發電結構的等效電學模型；
[0011] 悅）建立壓電發電結構的有限元模型，估計等效電學模型參數；
[0012] (S21)采用有限元軟件建立壓電發電結構的有限元模型；
[0013] (S22)通過設置短路邊界條件，估計短路特征頻率；通過設置開路邊界條件，估計 開路特征頻率；通過施加直流電壓，估計產生的輸出總電荷；通過在自由端施加作用力，估 計開路輸出電壓；
[0014] (S23)根據短路特征頻率、開路特征頻率、總電荷、開路輸出電壓分別計算等效電 學模型的電感、電阻、電容、電壓源參數；
[0015] (S3)將壓電發電結構的寄生電容和接口電路等效為一個電阻抗，其大小等于接口 電路兩端電壓除W流入電流；
[0016] (S4)將壓電發電結構的等效電學模型與所述步驟（S3)中的等效電阻抗相連接， 建立振動壓電俘能系統的禪合模型。
[0017] 進一步地，所述步驟（S22)的具體過程為：
[0018] 1)將壓電發電結構的輸出端與地連接，使其處于短路狀態，計算其短路共振頻 率.
[0019] 2)將壓電發電結構的輸出端懸空，使得處于開路狀態，計算其開路共振頻率；
[0020] 3)在壓電發電結構上施加直流電壓，計算穩態下的輸出總電荷；
[0021] 4)分別在壓電發電結構自由端施加兩組作用力，計算相應的開路兩個輸出電壓。
[0022] 采用本發明應用于振動壓電俘能系統具有如下有益效果：一是適用于任意形狀的 懸臂梁壓電發電結構；二是計算過程簡單、計算量小；=是可W對壓電發電結構和接口電 路進行同時優化。
【附圖說明】
[0023] 圖1是一種振動壓電俘能系統結構示意圖；
[0024] 圖2是本發明方法的過程示意圖；
[00巧]圖3是壓電發電結構的單自由度壓電振子模型示意圖；
[0026] 圖4是壓電發電結構的電學等效模型示意圖；
[0027] 圖5是接口電路的等效電阻抗模型示意圖；
[0028]圖6是本發明的振動壓電俘能系統禪合模型示意圖；
[0029] 圖7是實施案例采用的振動壓電俘能系統結構圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0031] 為便于理解本發明，先將現有技術的振動壓電俘能系統的基本結構作介紹。如圖 1所示一種振動壓電俘能系統結構示意圖；包括壓電發電結構1、接口電路2,壓電發電結構 包括基座3、彈性基體4、壓電陶瓷片5和兩個電極6;彈性基體4 一端夾持在基座3上構成 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、 下兩個外表面上；接口電路2連接所述電極；振動激勵F作用在基座3上，接口電路輸出端 輸出直流電壓V"ut。所述壓電發電結構采用懸臂梁形式，所述壓電陶瓷片可W采用串聯或并 聯連接；在實施過程中，接口電路既可W是全波橋式整流電路，也可采用是并聯或串聯同步 開關非線性整流電路。
[0032] 如圖2所示的本發明方法的過程示意圖，一種振動壓電俘能系統禪合建模方法， 包括W下步驟：
[0033] (S1)根據機械量和電學量之間的對等類比關系，建立壓電發電結構的等效電學模 型；
[0034] 如圖3所示，首先將壓電發電結構簡化為一個由等效質量M。。、等效阻巧C。。、等效剛 度K。。化及機電禪合單元aVp(a是壓電發電結構的力-壓禪合因子，Vp是壓電發電結構電 極兩端電壓）構成的單自由度壓電振子模型，圖中F表示振動激勵，X表示振動位移；然后 根據機械量和電學量之間的對應類比關系，即等效質量M。。對應電感L、等效阻巧C。。對應電 阻R、等效剛度K。。對應電容C、振動速度X對應等效電流i。。，上述對應關系分別如下：
[00巧]
[003引最終，建立壓電發電結構的等效電壓源模型，如圖4所示，圖中，Cp是壓電發電結構 的寄生電容，V。。是等效電壓源；串聯電感U電容C、電阻R、壓電發電結構的寄生電容Cp和 等效電壓源V。。。
[0037] 悅）建立壓電發電結構的有限元模型，估計上述等效電學模型參數；
[0038] (S21)利用有限元軟件（實施例中可W選擇Ansys軟件或者Comsol軟件）建立壓 電發電結構的有限元模型；
[0039] (S22)計算短路特征頻率、開路特征頻率、總電荷、開路輸出電壓；
[0040] 1)將壓電發電結構的輸出端與地連接，使其處于短路狀態，計算其短路共振頻率 f'sc;
[0041] 2)將壓電發電結構的輸出端懸空，使得處于開路狀態，計算其開路共振頻率f。。；
[004引 3)在壓電發電結構上施加大小為Vm的直流電壓，計算穩態下的輸出總電荷Qt;
[004引 4)分別在壓電發電結構自由端施加兩組作用力Fi=fiCOS?it，F2=