穿戴式混合环境能量收集技术研究

发布时间：2020-02-10 10:40

【摘要】：以可穿戴设备免维护自供电为应用背景,针对环境中普遍存在的射频电磁波能量源和人体振动能量源,研究了穿戴式混合能量收集技术,包括振动能模块、射频能模块、整流模块、升压模块和储能模块的分析与设计。基于穿戴式的特点,提出了以柔性压电材料PVDF为振动能传感器,同时采用贴片天线作为射频能量传感器构成两种能量共同收集的可穿戴式自供电系统。该设计思想突破了传统单一能量来源的采集模式,有效增强了能量收集功率,扩展了能量收集的适应范围。论文基于压电理论和麦克斯韦电磁场理论,主要研究两种能量收集器的结构模型与提升效率的优化方法,设计了多种射频能量收集天线与压电结构模型;研究高效率能量转换电路理论与设计方法,提出了一种低阈值整流电路结构,并进行设计与仿真;最后构建两种能量的混合收集系统,进行了测试与分析。具体设计与结论归纳如下:1.设计了两种收集振动能量的压电结构模型,一种是脚踩式结构,放置于鞋底。以2Hz模拟人行走状态下对该结构进行测试。当空载情况下,该结构输出电压为4.13V;电阻大小为600kΩ时,电阻两端的电压为2.58V,输出功率为11.093μW。另一个种为圆柱形结构,适用于关节弯曲处,以1Hz频率手指弯曲,测得最大峰峰值输出电压为3.52V,当电阻大小为600kΩ时,以同样的频率弯曲振动,测得该电阻两端的电压为1.80V。此时压电片输出功率为5.4μW。2.设计了两种射频能量收集天线,一种是矩形内嵌式结构,放置于手机壳内或手机臂包中,仿真获得最佳谐振频率点为2.34GHz,实测为2.36GHz,天线对着空气测试出环境中的射频能为-30.80d Bm,约为0.83μW。当内嵌在手机壳内,则可以检测到射频能量为-17.67d Bm,约为17.1μW。另一种为环形腕带式结构,仿真测得最佳谐振频率点为2.37GHz,实测时没有频偏。天线对着空气测试出环境中的射频能为-32.82d Bm,约为0.52μW。当手机贴近时,则可以检测到射频能量为-18.94d Bm,约为12.76μW。3.设计了一种低阈值整流电路,包括整流电路设计、滤波电路、升压电路设计。在整流电路的设计中,根据环境能力收集微弱性的特点提出采用低阈值整流电路,该电路最低输入电压为200m V,低频时整流效率为64%,高频整流效率为46.24%。升压电路分为两个部分:一个是环形振荡器,一个是电荷泵升压电路。利用环形振荡器提供1k Hz的振荡频率,其静态电流为2.84n A,消耗功率为452p W。进一步设计升压电路,由此设计一种四级两路电荷泵电路,当输入电压为200m V时,输出电压达到970m V,储能电容上的平均功率为1.14μW,纹波范围为±0.5%。转换率约为10%左右。4.构建混合能量收集系统,利用HSMS2852制作整流桥,而后添加超级电容器。将圆柱式压电片与内嵌式天线结构相串联,经测试,系统输出电压可达到1.663V,输出功率最高为2.77m W。将踩踏式压电与圆环式天线结构相串联,经测试,该系统输出电压可达1.36V,输出功率为1.84m W。实验验证,设计的系统可以满足低功耗穿戴式设备的自主供电需求。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM619

【参考文献】