复合式俘能器结构分析与能量管理电路设计

发布时间：2017-09-01 23:15

  本文关键词：复合式俘能器结构分析与能量管理电路设计

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【摘要】：随着微电子制造技术和无线传感网络的快速发展以及各种新型的低功耗元件的出现,从环境中直接俘获振动能并转化为电能的振动俘能器成为近年来的研究热点。研究人员在压电式、电磁式俘能器的基础上提出了压电-电磁复合式俘能器。本文对双端固支梁-质量块型压电-电磁复合式俘能器的结构和能量管理电路进行研究,通过理论计算、仿真分析和实验测试研究其俘能特性。1针对压电-电磁复合式俘能结构,对机械振动单元、电磁俘能单元和压电俘能单元三个子系统的工作机理进行分析,并通过ANSYS与ANSOFT MAXWELL对压电-电磁复合式俘能器的输出特性进行了仿真;2能量管理电路是设计自供电系统的关键所在。在实际应用中都是首先通过能量采集电路将交流电转化成直流电,然后通过能量存储电路对超级电容或充电电池等储能元件充电,在微电子器件需要时再释放出来。本文选择LTC3588-1和LTC3108能量转换芯片设计了能量采集电路,实现了对两种俘能方式能量的复合采集,输出稳定的直流电压,并且在能量存储电路方面,介绍了超级电容与充电电池的充放电特性,实现了对超级电容和充电电池的充电功能;3制作压电-电磁复合式俘能器样机,搭建实验系统测试压电-电磁复合式俘能器的输出性能,然后在此基础上,在压电俘能器输出端接入压电能量采集电路,在电磁俘能器输出端接入电磁能量采集电路,实现稳定的直流电压的输出,接着在复合式俘能器输出端接入复合式能量采集电路,实现两种俘能方式的复合采集。最后对超级电容和充电电池进行充电实验。4针对压电俘能器能量采集电路,介绍了包括标准能量采集电路,倍压整流电路,同步电荷提取电路,电感同步开关采集电路四种电源管理电路的原理,比较了他们的能量采集输出效率,指出了各种电源管理电路的特点和适用条件。然后设计和制作了并联SSHI电路板,验证SSHI电路的可行性。
【关键词】：能量采集 压电-电磁 仿真 能量管理 SSHI
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 课题研究的背景与意义12-15
• 1.2 国内外研究现状及趋势15-22
• 1.2.2 压电式俘能器15-16
• 1.2.3 电磁式俘能器16-17
• 1.2.4 压电-电磁复合式俘能器17-19
• 1.2.5 能量管理电路19-22
• 1.3 本课题主要研究内容22-24
• 第2章 复合式俘能器的工作机理与性能测试24-46
• 2.1 压电-电磁复合式俘能器的结构模型24-25
• 2.2 压电-电磁复合式俘能器的工作机理25-35
• 2.2.1 机械振动单元25-26
• 2.2.2 压电俘能单元26-32
• 2.2.3 电磁俘能单元32-35
• 2.3 压电-电磁复合式俘能器的输出特性35-37
• 2.4 仿真与分析37-44
• 2.4.1 压电单元参数对复合式俘能器输出功率的影响38-40
• 2.4.2 电磁单元参数对复合式俘能器输出功率的影响40-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第3章 能量管理电路设计与分析46-62
• 3.1 能量收集技术基础46
• 3.2 压电俘能器能量采集电路原理46-52
• 3.2.1 LTC3588原理简介47-48
• 3.2.2 电路仿真分析48-52
• 3.3 电磁俘能器能量采集电路原理52-56
• 3.3.1 LTC3108原理简介52-54
• 3.3.2 电路仿真分析54-56
• 3.4 压电-电磁复合式俘能器能量采集电路原理56-57
• 3.5 超级电容储能57-59
• 3.6 充电电池（锂电池）储能59-60
• 3.7 本章小结60-62
• 第4章 俘能器性能测试及能量管理电路实验测试62-77
• 4.1 复合式俘能器的加工与实验系统的搭建62-63
• 4.1.1 压电单元制作62
• 4.1.2 电磁单元制作62-63
• 4.1.3 实验系统的搭建63
• 4.2 复合式俘能器的输出性能测试63-66
• 4.2.1 输出功率随频率的变化64
• 4.2.2 输出功率与激励加速度的关系64-65
• 4.2.3 输出功率与外接负载的关系65-66
• 4.3 能量管理电路的实验测试与结果66-76
• 4.3.1 压电能量采集电路实验测试与结果66-70
• 4.3.2 电磁能量采集电路实验测试与结果70-74
• 4.3.3 压电-电磁复合式能量采集电路测试与结果74-76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 压电俘能器并联电感同步开关能量采集电路（SSHI）77-91
• 5.1 压电俘能器能量采集典型电源管理电路77-83
• 5.1.1 标准能量采集电路77-80
• 5.1.2 倍压整流电路80-83
• 5.2 压电俘能器能量采集高效电源管理电路83-87
• 5.2.1 同步电荷提取电路83-84
• 5.2.2 电感同步开关采集电路84-87
• 5.3 压电俘能器的SSHI电路的实验测试87-90
• 5.4 本章小结90-91
• 结论与展望91-93
• 参考文献93-98
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单98-99
• 致谢99

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本文编号：774977