一种振动压电俘能系统耦合建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电材料振动发电领域，特别设及一种振动压电俘能系统禪合建模方 法。
【背景技术】
[0002] 随着微机电（MEMS)、低功耗电路设计等技术的飞速发展，无线传感器的体积和功 耗越来越小，该使得俘获环境中的其它能量并转化为电能可W满足无线传感器工作需求， 从而无需外部电源或电池供电。特别地，环境中振动能量普遍存在，目前可W通过压电式、 电磁式和静电式=种途径实现振动能量俘获，其中尤W振动压电俘能受到关注最多，该是 因为它的能量密度高、易于微小化集成。
[0003] 由于压电振动发电输出的是大电压、高阻抗的交流电，并不能直接为无线传感器 等电负载直接供电，需要将交流电压转化为直流电压。为此，实际应用时的振动压电俘能系 统一般由压电发电结构和接口电路两部分组成，压电发电结构一般采用悬臂梁形式，它的 功能是收集输入的振动源能量并输出交流电压，接口电路的功能是将压电发电结构输出的 交流电压转化为稳定的直流电压。
[0004] 为了提高振动压电俘能系统的转化效率，需要针对给定的振动激励对压电发电结 构和接口电路进行优化设计。但目前该两方面的研究大多是相互独立的，对压电发电结构 与接口电路之间的禪合作用考虑较少，比如很多研究仅关注优化设计压电发电结构的参 数，使其与振动激励产生共振。但是，由于压电材料逆压电效应的存在，实际中该部分之间 存在非常紧密的禪合关系，也即当压电发电结构连接接口电路后，接口电路和负载会影响 压电发电结构的振动状态，而压电发电结构振动状态的变化又会导致输出交流电压产生改 变，进而影响振动压电俘能系统的整体转化效率，该就意味着采用分开优化后的压电发电 结构与接口电路连接起来工作，并不能获得最高的电能转化效率，该对实际应用是很不利 的。为此，迫切需要对压电发电结构与接口电路作进行禪合建模，实现同时对压电发电结构 与接口电路进行优化设计。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是针对给定振动源，提供一种振动压电俘能系统禪合建 模方法，使得能同时对压电发电结构与接口电路进行优化，从而获得最高的系统整体电能 转化效率。具体技术方案如下；
[0006] 本发明提供了一种振动压电俘能系统禪合建模方法，包括W下步骤，
[0007] (S1)根据机械量和电学量之间的对等类比关系，建立压电发电结构的等效电学模 型；具体为：
[000引 （S11)将压电发电结构简化为一个由等效质量、等效阻巧、等效刚度W及机电禪合 单元构成的单自由度压电振子模型；
[0009] (S12)根据机械量和电学量之间的对应类比关系，将等效质量对应电感、等效阻巧 对应电阻、等效刚度对应电容、振动速度对应等效电流；
[0010] (S13)建立压电发电结构的等效电学模型；
[0011] 悅）建立压电发电结构的有限元模型，估计等效电学模型参数；
[0012] (S21)采用有限元软件建立压电发电结构的有限元模型；
[0013] (S22)通过设置短路边界条件，估计短路特征频率；通过设置开路边界条件，估计 开路特征频率；通过施加直流电压，估计产生的输出总电荷；通过在自由端施加作用力，估 计开路输出电压；
[0014] (S23)根据短路特征频率、开路特征频率、总电荷、开路输出电压分别计算等效电 学模型的电感、电阻、电容、电压源参数；
[0015] (S3)将压电发电结构的寄生电容和接口电路等效为一个电阻抗，其大小等于接口 电路两端电压除W流入电流；
[0016] (S4)将压电发电结构的等效电学模型与所述步骤（S3)中的等效电阻抗相连接， 建立振动压电俘能系统的禪合模型。
[0017] 进一步地，所述步骤（S22)的具体过程为：
[0018] 1)将压电发电结构的输出端与地连接，使其处于短路状态，计算其短路共振频 率.
[0019] 2)将压电发电结构的输出端悬空，使得处于开路状态，计算其开路共振频率；
[0020] 3)在压电发电结构上施加直流电压，计算稳态下的输出总电荷；
[0021] 4)分别在压电发电结构自由端施加两组作用力，计算相应的开路两个输出电压。
[0022] 采用本发明应用于振动压电俘能系统具有如下有益效果：一是适用于任意形状的 悬臂梁压电发电结构；二是计算过程简单、计算量小；=是可W对压电发电结构和接口电 路进行同时优化。
【附图说明】
[0023] 图1是一种振动压电俘能系统结构示意图；
[0024] 图2是本发明方法的过程示意图；
[00巧]图3是压电发电结构的单自由度压电振子模型示意图；
[0026] 图4是压电发电结构的电学等效模型示意图；
[0027] 图5是接口电路的等效电阻抗模型示意图；
[0028]图6是本发明的振动压电俘能系统禪合模型示意图；
[0029] 图7是实施案例采用的振动压电俘能系统结构图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0031] 为便于理解本发明，先将现有技术的振动压电俘能系统的基本结构作介绍。如图 1所示一种振动压电俘能系统结构示意图；包括压电发电结构1、接口电路2,压电发电结构 包括基座3、弹性基体4、压电陶瓷片5和两个电极6;弹性基体4 一端夹持在基座3上构成 悬臂梁；压电陶瓷片5粘贴在弹性基体4的上、下表面；电极6分别锻在压电陶瓷片5的上、 下两个外表面上；接口电路2连接所述电极；振动激励F作用在基座3上，接口电路输出端 输出直流电压V"ut。所述压电发电结构采用悬臂梁形式，所述压电陶瓷片可W采用串联或并 联连接；在实施过程中，接口电路既可W是全波桥式整流电路，也可采用是并联或串联同步 开关非线性整流电路。
[0032] 如图2所示的本发明方法的过程示意图，一种振动压电俘能系统禪合建模方法， 包括W下步骤：
[0033] (S1)根据机械量和电学量之间的对等类比关系，建立压电发电结构的等效电学模 型；
[0034] 如图3所示，首先将压电发电结构简化为一个由等效质量M。。、等效阻巧C。。、等效刚 度K。。化及机电禪合单元aVp(a是压电发电结构的力-压禪合因子，Vp是压电发电结构电 极两端电压）构成的单自由度压电振子模型，图中F表示振动激励，X表示振动位移；然后 根据机械量和电学量之间的对应类比关系，即等效质量M。。对应电感L、等效阻巧C。。对应电 阻R、等效刚度K。。对应电容C、振动速度X对应等效电流i。。，上述对应关系分别如下：
[00巧]
[003引最终，建立压电发电结构的等效电压源模型，如图4所示，图中，Cp是压电发电结构 的寄生电容，V。。是等效电压源；串联电感U电容C、电阻R、压电发电结构的寄生电容Cp和 等效电压源V。。。
[0037] 悅）建立压电发电结构的有限元模型，估计上述等效电学模型参数；
[0038] (S21)利用有限元软件（实施例中可W选择Ansys软件或者Comsol软件）建立压 电发电结构的有限元模型；
[0039] (S22)计算短路特征频率、开路特征频率、总电荷、开路输出电压；
[0040] 1)将压电发电结构的输出端与地连接，使其处于短路状态，计算其短路共振频率 f'sc;
[0041] 2)将压电发电结构的输出端悬空，使得处于开路状态，计算其开路共振频率f。。；
[004引 3)在压电发电结构上施加大小为Vm的直流电压，计算稳态下的输出总电荷Qt;
[004引 4)分别在压电发电结构自由端施加两组作用力Fi=fiCOS?it，F2=