[发明专利]一种谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法

说明书

本发明公开一种谐振式压电发电系统，包括依次串联电连接的压电发电机、谐振电感L、桥式整流电路、自供电开关电路和电荷提取电路，各个部分串联电连接后形成谐振式压电发电系统的整体电路。通过自供电开关电路的自供能和自动闭合和断开，实现本发明系统的自动化控制；在整体电路中加入谐振电感L，并通过对该谐振电感L进行优化设计，可以获得最优的谐振电感值，大大提高传统同步电荷提取电路的电能转换效率。本发明还公开了一种谐振式压电发电系统的谐振电感优化方法；采用的最优谐振电感能大幅提升压电发电机的输出电压，提高了传统同步电荷提取电路对压电发电的AC‑DC转换效率，实现高效的振动压电发电，进而提高了系统的电能转换效率。

技术领域

本发明涉及振动压电发电技术领域，具体是一种谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法。

背景技术

在诸多环境能量形式中，振动在自然界中普遍存在，因此振动能量收集是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自供电技术。与电磁式、静电式等其它振动能转换机理相比，压发电具有较高的力-电耦合效应和能量密度、无电磁干扰以及易于微小化集成等突出优点，得到了广泛关注和应用研究。但是，压电发电机输出的是大电压、高阻抗、小电流的交流电，不能直接为低功耗电子设备负载供电，需要在压电发电机和电负载之间放置接口电路，将交流电转化为直流电(AC-DC转换)，而在AC-DC转换过程中，其转换效率与接口电路密切相关，必须进行优化设计。

最简单的AC-DC转换电路是传统的桥式整流接口电路，但它的缺点是仅当负载阻抗与压电发电机输出阻抗满足阻抗匹配时，负载上才能获取最大的能量，否则负载获取的电能会急剧减小。但实际中，压电发电机的输出阻抗很高，同时低功耗电子设备阻抗往往也不是一个常数，故阻抗匹配难以实现，导致能量转换效率低。针对传统桥式整流接口电路电能转换效率低下的问题，人们提出了基于同步开关的非线性整流接口电路，即SSHI电路，它的基本思想是在传统桥式整流接口电路中加入一个开关和电感，当压电振子到达最大振幅时压电材料内部累积电荷最多，此时开关瞬间闭合使电感与压电材料的寄生电容形成L-C振荡回路将累积电荷提取出来，从而可以提高AC-DC的转换效率。根据开关的位置不同，SSHI电路又分为两大类：一类是开关放置在整流桥后面，称之为同步电荷提取电路；另一类是开关放置在整流桥前面，称之为同步开关电路。

如专利号为CN201520926035.8中公开了一种宽频带压电发电用非线性接口电路，电路包括电子开关电路、桥式整流电路、电压控制电路和DC-DC转换电路共四个组成单元，且它们依次电连接；CN201810871127.9公开了一种低延迟自供电压电发电同步电荷提取电路，包括桥式整流电路、峰值检测电路、低时延分压电路、自供电开关电路和电荷提取电路共五个组成单元，且它们依次电连接。与同步开关电路相比，同步电荷提取电路最大的优点是其AC-DC转换效率与负载无关，有效解决了传统桥式整流接口电路面临的阻抗匹配问题，但是它的转换效率比同步开关电路一般要低。

对同步电荷提取压电发电系统来说，最关键的是如何进一步提高它的AC-DC转换效率，进而提高系统的电能转换效率，为此有必要设计一种新型的谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法。

发明内容

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种谐振式压电发电系统及其谐振电感优化方法，在已有同步电荷提取压电发电系统中加入了一个谐振电感，并通过对该谐振电感进行优化设计，主要用于解决现有同步电荷提取压电发电系统的电能转换效率不高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种谐振式压电发电系统，包括依次串联电连接的压电发电机、谐振电感L、桥式整流电路、自供电开关电路以及电荷提取电路，其中，

压电发电机，等效为一个电流源i_eq(t)及其寄生电容C_p的并联电路，用于将振动能转化为电能；

谐振电感L，位于所述压电发电机与桥式整流电路之间，用于与所述压电发电机配合产生电谐振；