双重双稳态压电振动能量收集装置特性分析及在汽车中的应用研究

摘要

目前，各种微小型传感器得到广泛应用，这些设备大都采用传统电池进行供电，但是传统电池体积大、寿命有限，并且有的传感器存在电池更换困难的问题，例如汽车轮胎中的胎压监测传感器。为了能够获得持久、稳定、有效的电源，基于环境振动的能量收集与转换技术成为当前研究的热门方向。双稳态压电振动能量收集系统（Bi-stable Energy Harvester，BEH）可以在低宽频的振动范围下将环境中的振动能转换为电能，实现振动能量的回收与利用，为用电元件提供持续、稳定的电源。本文以双稳态压电振动能量收集系统为基础，研究、设计了双重双稳态压电振动能量收集系统(Double Bi-stable Energy Harvester，DBEH)，提高了系统的能量收集效率与发电能力。本文通过理论建模、数值仿真分析与实验验证相结合的方法，对双稳态与双重双稳态压电振动能量收集系统的输出响应进行了深入细致的研究，主要的研究内容如下:
　　1.对压电振动能量收集系统的相关技术进行了研究。分析计算了压电振动能量收集系统的幅值阈值，并分析了系统储能元件的选取以及整流电路的选择。
　　2.求解出两个永磁铁之间的磁力势能表达式，并由此建立了系统的磁斥力能模型，然后建立了DBEH系统的集总参数模型，最后计算DBEH系统的机电方程。利用MATLAB软件进行数值仿真分析，分析简谐激励时，不同激励幅值、不同激励频率、不同负载电阻和不同初始值下的DBEH系统的动力学响应和电压输出响应，并与同等参数下BEH系统的输出响应进行比较，结果表明，DBEH系统可以更容易的跨越势垒高度进行阱间运动，并且DBEH系统的输出电压更高，可以更好的为传感器提供电能。
　　3.用滤波白噪声模拟车辆行驶时的振动输入信号，用此信号来代替简谐激励，然后分析模拟车辆行驶时DBEH系统的输出响应。建立系统的动力学方程，利用Euler差分格式对其进行数值求解与分析，发现系统的输出电压会随着噪声强度的增加而增加;并且与简谐激励下的系统电压输出响应类似，此时系统也有一个最优的匹配电阻，在此电阻下系统的输出功率最高。
　　4.为了验证仿真结果的正确性，设计了双稳态和双重双稳态压电振动能量收集装置，研究了简谐激励下不同激励幅值、不同激励频率和不同初始值对压电振动能量收集系统电压输出响应的影响，同时研究了模拟车辆行驶过程中DBEH系统的能量收集情况，实验结果与仿真结论相符，证明了DBEH系统可以在低宽频下进行振动能量的收集与转化，并且能量转化效率要高于BEH系统。
　　论文对双稳态与双重双稳态压电振动能量收集系统进行了较为系统的研究，研究了系统的动力学响应和电压输出响应，为环境中振动能量的收集与转化提供了一种可行的方案，为以后进一步的研究奠定了一定的基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 振动能量回收技术

1．2．1 电磁式振动能量收集装置

1．2．2 静电式振动能量收集装置

1．2．3 压电式振动能量收集装置

1．3 压电材料的研究现状

1．4 压电振动能量收集装置的国内外研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．4．2 国外研究现状

1．4．3 压电能量收集器的应用

1．5 论文的研究内容和章节安排

第2章 压电能量收集系统的理论分析

2．1 引言

2．2 压电材料

2．2．1 压电性能参数

2．2．2 广义胡克定律

2．2．3 压电方程

2．3 双稳态压电振动能量收集系统

2．4 双稳态压电振动能量收集系统的幅值阈值计算

2．4．1 双稳态振动系统幅值阈值

2．4．2 双稳态压电振动能量收集系统的幅值阈值

2．5 能量存储

2．5．1 储能元件的选择

2．5．2 整流电路

2．6 本章小结

第3章 双稳态与双重双稳态压电振动模型的仿真研究

3．1 引言

3．2 力-电-磁耦合系统的分布参数模型

3．3 磁斥力能模型

3．4 集总参数模型

3．5 压电振动能量收集系统的仿真分析

3．5．1 势能分析

3．5．2 激励幅值对系统响应的影响

3．5．3 激励频率对系统响应的影响

3．5．4 负载电阻对系统响应的影响

3．5．5 初始值对系统响应的影响

3．6 本章小结

第4章 基于车辆行驶过程中振动能量收集的仿真分析

4．1 引言

4．2 车辆动力学方程

4．3 滤波白噪声下的动力学方程

4．4 数值分析

4．4．1 噪声强度对系统输出的影响

4．4．2 负载电阻对系统输出的影响

4．5 本章小结

第5章 实验研究与分析

5．1 引言

5．2 实验系统的组成

5．3 BEH系统的实验研究

5．4 DBEH系统的实验研究

5．4．1 不同激励幅值对系统的影响

5．4．2 不同激励频率对系统的影响

5．4．3 不同初始值对系统的影响

5．4．4 模拟车辆行驶激励

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文