崔宜梁 王海峰 李蒙 孫凱利 李春雨

摘要：現(xiàn)有的壓電俘能器大多是針對(duì)某一較窄頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)情況而設(shè)計(jì)，但周圍環(huán)境的頻率范圍非常寬泛且隨時(shí)可能發(fā)生變化，導(dǎo)致一般俘能器很難實(shí)現(xiàn)能量俘獲或俘能效率低，為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的T型壓電懸臂梁作為俘能裝置。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)2方面出發(fā)，進(jìn)行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和諧振分析，得出壓電結(jié)構(gòu)裝置的固有頻率和激振力頻率等響應(yīng)，對(duì)新型的主動(dòng)式俘能電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算電路的功率損耗以及元器件損耗量。通過(guò)對(duì)主動(dòng)式俘能電路進(jìn)行計(jì)算仿真驗(yàn)證，以及對(duì)主動(dòng)技術(shù)和被動(dòng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到主動(dòng)技術(shù)所獲得的最大功率是被動(dòng)技術(shù)的5倍。由此可知，運(yùn)用電壓控制型主動(dòng)邊界控制方法進(jìn)行接口電路設(shè)計(jì)，主動(dòng)利用每個(gè)壓電換能周期中觸發(fā)的電學(xué)邊界條件，可有效增加輸入壓電俘能器的機(jī)械能，進(jìn)而增大輸出的電能。該研究創(chuàng)新了利用壓電材料主動(dòng)俘能的方式，對(duì)壓電俘能的發(fā)展有積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；壓電效應(yīng)；固有頻率；激振力頻率；俘能電路

中圖分類號(hào)：TM401文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis of active piezoelectric energy harvester

CUI Yiliang， WANG Haifeng， LI Meng， SUN Kaili， LI Chunyu

（College of Mechanical & Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao， Shandong 266071， China）

Abstract：Most of the existing piezoelectric traps are designed for a narrow frequency range of vibration， but the surrounding environment has a very wide frequency range， and the frequency may also be subject to change， causing the problem of difficult to achieve energy capture or capture inefficiency. In order to solve problem， a new T-type piezoelectric cantilever is proposed as a capture energy structure in the paper. To begin with the aspects of structural design and circuit design， the static analysis， modal analysis and resonance analysis of the structure are carried out and the natural frequency and excitation frequency of the device are analyzed. The design and calculation of the power consumption and the loss of the components of the circuit are analyzed by the simulation and verification of the active capture energy circuit， and the active and passive techniques are compared and analyzed， the simulation of the active capture circuit is verified by analyzing the power consumption of the circuit and the maximum power obtained by the active technology is 5 times of that of the passive technology. And then the voltage-controlled active boundary control method can be used for interface circuit design， taking the initiative to use each piezoelectric transduction cycle triggered by the electrical boundary conditions to effectively increase the input piezoelectric pump energy， and then increase output power. The way of utilizing the active trapping of piezoelectric materials is innovated， which has a positive effect on the development of piezoelectric traps.

Keywords：sensor technology； piezoelectric effect； natural frequency； exciting force frequency； energy harvesting circuit

目前，能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，如何從周圍環(huán)境中收俘能量受到眾多研究者的關(guān)注。人類可利用的環(huán)境能源有太陽(yáng)能、熱能、振動(dòng)能等，因受限于自然條件，太陽(yáng)能與熱能供能技術(shù)很難廣泛應(yīng)用，但振動(dòng)在自然環(huán)境中時(shí)刻發(fā)生著，而且能量密度極高。因此，利用振動(dòng)能收集裝置將環(huán)境中的振動(dòng)能收集儲(chǔ)存并為低功耗微型器件供能[1-2]有著廣泛的發(fā)展前景。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，俘獲機(jī)械振動(dòng)能量的方式被分為電磁式[3-4]、靜電式[5-6]、壓電式[7]。壓電俘能器區(qū)別于一般的壓電換能裝置的實(shí)質(zhì)是：前者是能量的供給者，而后者是一種用來(lái)研究非電信號(hào)的過(guò)渡手段[8]。壓電俘能器是依據(jù)壓電效應(yīng)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，通常采用末端有質(zhì)量塊的懸臂梁的振蕩系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。賓夕法尼亞州立大學(xué)研制的鐃鈸型換能器屬于典型的夾心式壓電俘能器，該裝置主要由上下2個(gè)鋼鐵材質(zhì)的帽子以及被夾在中間的壓電片構(gòu)成，而且壓電陶瓷片的上下兩端都與鋼帽粘結(jié)，這樣可以提高自身的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性能[9]。美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一款用于低頻振動(dòng)環(huán)境下的壓電俘能器[10]，該俘能器的彈性梁采用了ABS 塑料，有2片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料（PZT）固定在裝置的一端，在ABS彈性梁的末端，將一個(gè)質(zhì)量塊放在壓電懸臂梁的中間，該裝置與傳統(tǒng)的壓電懸臂梁裝置對(duì)比，其俘獲的電能明顯更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)在低頻環(huán)境中的能量回收。LEFEUVRE等[11]分別設(shè)計(jì)了一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)接口電路，這是專門針對(duì)壓電俘能器的電源管理電路。香港理工大學(xué)的WANG等[12]提出鼓型換能器，該裝置主要是回收振動(dòng)能量，并且還提出換能器的固有頻率隨著預(yù)緊力的逐漸增加而減小。SCRUGGS[13]基于H2最優(yōu)控制理論，設(shè)計(jì)了一個(gè)反饋控制器，用于最大化壓電雙晶懸臂梁的輸出電能。試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了他的設(shè)計(jì)思想，但是在他的試驗(yàn)中用于執(zhí)行最優(yōu)控制理論的智能控制器和外圍門電路的能量是由外部獨(dú)立電源供給的，它們的功耗顯然超出了壓電俘能器的最大能量收集水平。MARZENCKI等[14]采用微制造技術(shù)將電源管理電路中的所有元器件都封裝在一個(gè)ASIC芯片中，集成度的提高使得能耗進(jìn)一步降低，從而使得俘能器具備了收集微弱振動(dòng)能的能力?；谇叭怂芯康某晒?，本文利用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料（PZT）的正壓電效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種可以在振動(dòng)頻率較低的周圍環(huán)境中將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的壓電發(fā)電裝置，其中為使所設(shè)計(jì)的T型壓電梁結(jié)構(gòu)的固有頻率與周圍環(huán)境的振動(dòng)頻率近似，設(shè)計(jì)了主動(dòng)式俘能電路，在發(fā)生共振時(shí)從周圍環(huán)境中俘獲最大的能量轉(zhuǎn)換成電能，獲得了較高的發(fā)電效率。

1理論基礎(chǔ)

1.1壓電理論基礎(chǔ)

某些電介質(zhì)在一定方向上受到外力作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的上下表面出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)[15]。目前，應(yīng)用較廣泛的壓電材料有鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）和聚偏氟乙烯（PVDF）。

壓電俘能器的研究者們大多數(shù)采用懸臂梁式壓電振子，而且懸臂梁式壓電俘能器又分為單、雙晶壓電俘能器[16]；單晶式壓電俘能結(jié)構(gòu)是壓電片貼在金屬?gòu)椥云囊粋?cè)，懸臂梁振動(dòng)的時(shí)候，會(huì)發(fā)生變形，正電荷會(huì)出現(xiàn)在壓電片上，金屬?gòu)椥云蠒?huì)產(chǎn)生負(fù)電荷；同樣，雙晶式壓電俘能器是由2個(gè)壓電片和1個(gè)金屬?gòu)椥云M成，壓電片分別貼在金屬?gòu)椥詫拥膬蓚?cè)，而且雙晶式的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)之分，串聯(lián)連接的電壓加倍，電流大小不變；并聯(lián)連接的電壓大小不變，電流加倍。需要注意的是串聯(lián)和并聯(lián)只能改變電壓和電流的比值，并不能改變它們的輸出功率。

1.2俘獲能量的數(shù)學(xué)表達(dá)式

壓電俘能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的諸多能量收集技術(shù)的目標(biāo)。俘能電路是壓電裝置與電氣負(fù)載之間的接口，在壓電俘能系統(tǒng)中起著非常重要的作用。所俘獲的能量由壓電材料產(chǎn)生的電量來(lái)體現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化分析，機(jī)械激勵(lì)的幅值和頻率設(shè)定為常數(shù)，即f（t）=-Fsin（ωt）。那么壓電材料一側(cè)的平均功率就變?yōu)?/p>

因此，由壓電元件轉(zhuǎn)換成電能的平均功率取決于壓電電壓和施加力的一階導(dǎo)數(shù)的振幅和相位差。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

壓電俘能器的有限元分析是一種結(jié)構(gòu)與電場(chǎng)的耦合分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)、模態(tài)、預(yù)應(yīng)力模態(tài)、諧波、預(yù)應(yīng)力諧波以及瞬態(tài)進(jìn)行分析[16]，利用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建，具體參數(shù)如表1所示。所構(gòu)建的模型由固定一端的彈性梁、質(zhì)量塊及壓電材料組成；基板彈性梁采用金屬?gòu)椥云ū疚倪x用青銅）；在青銅的上下表面貼壓電材料（本文選擇PZT-4）；梁的右端放置質(zhì)量塊（本文選擇鎳做質(zhì)料），模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）靜力學(xué)分析壓電俘能裝置的靜力學(xué)分析主要用于分析T型梁的壓電振子結(jié)構(gòu)受外部載荷作用而引起的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等變化，忽略了阻尼的影響和載荷隨時(shí)間的變化。固定端所受的應(yīng)力較小，接近0；自由端處較大，并且由固定端向自由端逐漸增大。

2）模態(tài)分析壓電俘能裝置的模態(tài)分析用于確定壓電俘能結(jié)構(gòu)的各階固有頻率以及對(duì)應(yīng)振型，也可以研究俘能裝置的各個(gè)參數(shù)對(duì)固有頻率的影響[17]。固有頻率反映了壓電俘能振子處于平衡位置附近做細(xì)小振動(dòng)時(shí)，振子所應(yīng)有的物理性質(zhì)；振型是俘能振子振動(dòng)的空間形式。它們與俘能裝置材料的密度以及剛度有關(guān)。表2展示出六階固有頻率。

通過(guò)模態(tài)分析得出固有頻率與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和寬度的關(guān)系如圖2所示。

3）諧響應(yīng)分析壓電俘能裝置的諧響應(yīng)分析是用于確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡(jiǎn)諧）載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。為了提高壓電元件的輸出電壓，提高俘獲周圍環(huán)境能量的效率，對(duì)電壓響應(yīng)輸出特性進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算出一定頻率范圍下的壓電響應(yīng)，得到電壓與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線（見圖3）。從該曲線上可以得到電壓峰值響應(yīng)點(diǎn)，找出其所對(duì)應(yīng)的頻率。

從圖3中可以看出T型梁壓電振子的電壓與激振力頻率的關(guān)系。當(dāng)外界激振力的頻率等于T型梁壓電振子的固有頻率時(shí)，應(yīng)變最大，此時(shí)壓電裝置產(chǎn)生的電壓值最大，隨著頻率的增加，電壓值增加，當(dāng)頻率達(dá)到一階固有頻率16 Hz時(shí)電壓有峰值，隨后電壓隨頻率的增大而減小。

3俘能技術(shù)電路設(shè)計(jì)

3.1主動(dòng)技術(shù)與被動(dòng)技術(shù)

被動(dòng)技術(shù)電路中的能量是單向流動(dòng)的，典型電路有二極管整流電路和電荷提取電路，并且其壓電裝置與典型的電源不同，其內(nèi)部阻抗是電容性的，由機(jī)械振動(dòng)的不同幅度和頻率驅(qū)動(dòng)，此外，負(fù)載阻抗可能變化顯著，例如電池的阻抗隨容量的變化而變化。所以阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致大量功率被損耗掉。由于壓電效應(yīng)本身包含正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)2個(gè)相互耦合的過(guò)程，所以如果能在接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，主動(dòng)利用每個(gè)壓電換能周期中觸發(fā)的電學(xué)邊界條件（如電壓幅值和相位），那么在最優(yōu)的電學(xué)邊界條件下，一定能夠有效地增加輸入壓電俘能器的機(jī)械能，從而進(jìn)一步增加輸出的電能。

與被動(dòng)技術(shù)不同的是，主動(dòng)技術(shù)需要更靈活的功率接口電路來(lái)連接壓電設(shè)備與負(fù)載，也就是說(shuō)，接口電路能夠在4個(gè)象限運(yùn)行。目前，圖4給出了一種電壓控制的主動(dòng)式俘能技術(shù)。在過(guò)程①和過(guò)程③中，接口電路兩端的電壓保持不變，而作用力在最大值和最小值間變化。在過(guò)程④和過(guò)程②中，作用力保持最小和最大值不變，而接口電路完成充電和放電過(guò)程。在一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)換得到的能量可以通過(guò)計(jì)算圖4中的平行四邊形電域或機(jī)械域的面積得到。主動(dòng)式俘能技術(shù)要求與壓電元件連接的電源管理電路必須具有能量雙向流動(dòng)的能力，而且一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)換的能量由該周期內(nèi)轉(zhuǎn)換的平均功率與激勵(lì)頻率的乘積表示。

3.2主動(dòng)技術(shù)電路設(shè)計(jì)

被動(dòng)技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率較低且俘能電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；主動(dòng)式俘能技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率較高，但是其電路較復(fù)雜。本文就此設(shè)計(jì)了一種新型主動(dòng)式俘能電路系統(tǒng)，并提出獨(dú)立電路是由一個(gè)單一的或一系列可充電電池供電，無(wú)需任何外部電源供應(yīng)。主動(dòng)技術(shù)核心電路由雙向全橋逆變器作為壓電裝置和高壓總線之間的接口電路，總線電容器作為臨時(shí)儲(chǔ)能元件，并且一個(gè)單向DC-DC變換器作為電壓調(diào)節(jié)器。假設(shè)母線電容零電壓的初始條件是將所有的MOSFET全橋逆變器關(guān)閉。在這種情況下，總線電容器在MOSFET的體二極管作用下充電，作為全橋整流器。當(dāng)母線電容電壓達(dá)到一定水平時(shí)，全橋整流器和回掃轉(zhuǎn)換器結(jié)合，來(lái)執(zhí)行主動(dòng)俘能。如圖5所示，當(dāng)力/應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，開關(guān)Q1閉合、開關(guān)Q4以恒定占空比調(diào)制，而開關(guān)Q2和Q3導(dǎo)通；當(dāng)力/應(yīng)力達(dá)到其最小值時(shí)，開關(guān)Q2閉合、開關(guān)Q3以恒定占空比調(diào)制，而開關(guān)Q1和Q4導(dǎo)通。

3.3耗能估計(jì)

1）MOSFET驅(qū)動(dòng)器損耗

為了切換半導(dǎo)體器件的開關(guān)狀態(tài)，需要插入或者移除控制電荷。式（6）為計(jì)算控制MOSFET所需要的功率：

式中：fs為開關(guān)頻率；Vg為柵極驅(qū)動(dòng)電壓；Qg為MOSFET的柵極電荷。

開關(guān)損耗限制了實(shí)際轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率的上限。在開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，晶體管的電壓和電流是同時(shí)增大。晶體管具有較高的瞬時(shí)功率損耗。式（7）為計(jì)算MOSFET的開關(guān)功率損耗：

式中：VDS為設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)下的漏源電壓；ID為MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)下流經(jīng)的電流；tr，tf為電壓上升和下降的時(shí)間。

傳導(dǎo)損耗可以分為2個(gè)部分，一個(gè)是開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻散熱，另一個(gè)是由于二極管正向壓降的電阻散熱。

式（8）為計(jì)算MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下的傳導(dǎo)損耗：

式（9）是計(jì)算由于二極管正向壓降的功率損耗：

式中：Ron為導(dǎo)通狀態(tài)下的源極與漏極之間的總電阻；ton為一個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間。

雖然很難精確地計(jì)算出各個(gè)電路的功率損耗，但可以作為設(shè)計(jì)電路和選擇元器件的參考依據(jù)。為了減少功率損耗，開關(guān)頻率fs要盡量小，正好增加了全橋逆變器的核心效率，但也需要考慮壓電裝置的固有頻率，使開關(guān)頻率fs遠(yuǎn)高于固有頻率。全橋逆變器的MOSFET是影響主動(dòng)俘能技術(shù)俘能的核心元件，除了滿足電壓和電流的額定值，其他參數(shù)也非常重要，比如柵極電荷Qg、電壓上升和下降的時(shí)間tr，tf。從式（7）中可以看出，開通或者關(guān)閉MOSFET所需的能量，與柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vg和MOSFET的柵極電荷Qg成正比。因此，需要選擇一個(gè)具有較低閾值的電壓和較小導(dǎo)通柵極電荷的MOSFET。此外，擁有較低柵極電荷的MOSFET設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路更簡(jiǎn)單一些。

2）支撐電路的功率消耗

柵極驅(qū)動(dòng)電路的所有組件是被動(dòng)的。除控制信號(hào)之外，控制電路還負(fù)責(zé)柵極驅(qū)動(dòng)電路的供能。式（10）為計(jì)算驅(qū)動(dòng)高側(cè)MOSFET所需的功率：

式中ηT為脈沖變壓器的效率。

假設(shè)開關(guān)頻率為5 kHz，通用電源電壓為5 V，MOSFET的型號(hào)為IXTY01N100，總柵極電容為6.9 nF，獨(dú)立電路所需功率由式（11）得出：

柵極驅(qū)動(dòng)電路的功率消耗由兩部分組成，分別是并聯(lián)電容的功率消耗和并聯(lián)電阻的功率消耗，假設(shè)脈沖變壓器的效率是85%。具體計(jì)算見式（12）：

式（13）為計(jì)算邏輯芯片的功耗：

占空比發(fā)生器的耗電量Pgenarator=0.2 mW，式（14）為計(jì)算獨(dú)立電路總消耗功率Ptotal ：

3.4結(jié)果驗(yàn)證

主動(dòng)控制器的電路板包括浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、取樣測(cè)試的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、控制轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸出的脈沖寬度調(diào)制器（PWM），如圖6所示。首先，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量壓電裝置的力或電流。力信號(hào)復(fù)雜多變，如果控制器直接應(yīng)用此信號(hào)，施加的電壓與機(jī)械力很難同步。增加一個(gè)數(shù)字或模擬濾波器可以緩解信噪比。同時(shí)，過(guò)濾器通常會(huì)產(chǎn)生相移。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在Simulink仿真中，引入一個(gè)鎖相環(huán)電路。該鎖相環(huán)產(chǎn)生一個(gè)理想的正弦信號(hào)的相位（與所施加的力有關(guān)），且被用于控制器。前面所述的主動(dòng)式俘能器的相位要求是在所施加的力的峰值時(shí)充電或放電。

逆變器的開關(guān)頻率改為5 kHz，占空比為1%時(shí)，電壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用到低側(cè)MOSFET。平均收獲功率，由減去的功率決定，減去的功率是由直流電壓源所提供的直流負(fù)載電阻所消耗的功率。需要注意的是，在計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算所獲得的功率，不包括柵極驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的功率。從柵極驅(qū)動(dòng)器電路流向逆變器的能量?jī)H用于給MOSFET的柵極電容充電，所以不會(huì)被添加到俘獲的能量中。圖7顯示了這個(gè)俘獲的功率結(jié)果，即有效機(jī)械應(yīng)變?yōu)?.81%情況下的一個(gè)直流母線電壓與功率的函數(shù)。正如理論預(yù)測(cè)，最佳的母線電壓能最大限度地提高俘獲的能量。

對(duì)主動(dòng)式俘能技術(shù)的性能與有效機(jī)械應(yīng)變作函數(shù)研究，如圖8所示，它與被動(dòng)技術(shù)的最優(yōu)輸出電壓下的二極管整流電路所產(chǎn)生的能量相比較，并將二極管整流電路轉(zhuǎn)換為DC-DC變換器所需輸出電壓（1～2 V）所產(chǎn)生的能量與之相比較。對(duì)于主動(dòng)技術(shù)來(lái)說(shuō)，手動(dòng)調(diào)整總線電壓到最佳值。在圖8中可以看出，主動(dòng)技術(shù)所獲得的最大功率是被動(dòng)技術(shù)的5倍。

獨(dú)立電路的總功耗由與電源串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻（Rsensing=33 Ω）測(cè)出。該電阻上的直流壓降是V=9.47 mV，所以式（15）為功耗計(jì)算公式：

由式（15）得到的獨(dú)立電路功耗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近式（14）的值1.293 mW。

4結(jié)語(yǔ)

本文將鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片（PZT）作為機(jī)電轉(zhuǎn)換材料，利用理論計(jì)算和有限元分析方法對(duì)壓電俘能設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真。關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在壓電俘能結(jié)構(gòu)與接口電路2個(gè)方面：

1）壓電俘能結(jié)構(gòu)的固有頻率的范圍廣，最大程度提高了俘獲電能效率；接口電路中新加了控制器，使俘獲的電能最大化存儲(chǔ)；

2）該過(guò)程有功率損耗，需減小該損耗。

對(duì)壓電俘能器的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，可以設(shè)想更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)提高頻率帶寬和輸出電壓，比如分別嘗試采用鼓型結(jié)構(gòu)或者橋式結(jié)構(gòu)。主動(dòng)技術(shù)的電源管理電路的功率損耗需進(jìn)一步降低，提高電能的轉(zhuǎn)化效率。

到目前為止，科研工作者們?nèi)栽诓粩嗵剿鲬?yīng)用新型的壓電材料，改良?jí)弘娊M件的結(jié)構(gòu)、電源管理電路和儲(chǔ)能電路的設(shè)計(jì)，其目的只有一個(gè)，即在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，實(shí)現(xiàn)從周圍環(huán)境的振動(dòng)中完成能量收集的最大化。然而在目前的研究中普遍存在以下2個(gè)問(wèn)題：

1）壓電俘能器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，特別是在低頻率的振動(dòng)環(huán)境中；

2）當(dāng)環(huán)境的振動(dòng)頻率發(fā)生大幅度變化時(shí)，壓電俘能器的能量轉(zhuǎn)換效率會(huì)急劇降低。運(yùn)用電壓控制型主動(dòng)邊界控制方法進(jìn)行接口電路設(shè)計(jì)，主動(dòng)利用每個(gè)壓電換能周期中觸發(fā)的電學(xué)邊界條件（如電壓幅值和相位），以有效地增加輸入壓電俘能器的機(jī)械能，進(jìn)而增大輸出的電能。

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