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基于振动的压电储能技术综述
1首尔东固大学机械、机器人和能源工程系，26 Pil dong 3-Ga，Jung gu，首尔，韩国，100-715 2朝鲜大学电子工程系，375 Seosuk dong，dong gu，光州，韩国，501-759 3 Inha大学机械工程系，253 Yonghyun dong，Nam ku，仁川，韩国，402-751#通讯作者/电子邮箱：jaehwan@inha.ac.kr，电话： 82-32-860-7326，传真： 82-32-832-7325
关键词：能量收集、压电、振动、能量产生、微功率
综述了机械振动能量采集技术。超低功耗便携式电子设备和无线传感器网络的最新进展要求无限的电池寿命以获得更好的性能。人们为先进的电子设备寻找永久的便携式电源。能量无处不在，能量采集中最重要的部分是能量传感器。压电材料具有很高的机械振动能量转换能力。为了利用压电材料研制出简单高效的振动能量采集装置，人们进行了大量的研究。有代表性的压电材料可分为压电陶瓷和压电聚合物。本文综述了报道的振动压电能量采集的关键思想和性能。综述了各种振动装置、压电材料和振动能量采集的数学模型。
收稿日期：2011年10月25日/收稿日期：2011年11月8日
1. 介绍
能量收集是指从一个或多个周围的能源中获取微小的能量，并将其积累起来，储存起来以备日后使用。能量收集也称为能量收集或能量清除。随着无线和微机电系统（MEMS）技术的发展，能量收集作为传统电池的替代品越来越受到重视。超低功耗便携式电子和无线传感器采用传统电池作为电源，但电池的使用寿命有限，与器件的工作寿命相比非常短。更换或重新充电电池效率低下，有时是不可能的。因此，将能量采集技术作为便携式设备或无线传感器网络系统的自电源进行了大量的研究。
从能量转换的角度来看，人类已经使用了风能、水能、地热能和太阳能等形式的能量收集技术。由于化石燃料的有限性和福岛核危机等核电不稳定因素，这种来自自然资源的能源被称为可再生能源，成为未来的能源。自从可再生能源收获植物产生千瓦级或兆瓦级的能量，被称为宏观能量收获技术。相比之下，微能量收集技术主要集中在传统电池的替代品上。微能量采集技术是以机械振动、机械应力应变、炉子热能、加热器和摩擦源、太阳光或室内光、人体、化学或生物源为基础，能产生mW或W级的能量。本文将能量采集局限于微能量采集。micro;
由于压电材料结构简单，能将机械振动转化为电能，因此压电储能作为无线传感器网络系统的自动力源受到重视。压电性代表压力电性，是某些晶体材料（如石英、罗谢尔盐、电气石和钛酸钡）的特性，在施加压力时产生电性。这叫做直接效应。另一方面，当施加电场时，这些晶体会发生变形，称为逆效应。逆效应可用作驱动器，直接效应可用作传感器或能量传感器。压电材料的机电耦合行为可以用两个线性本构方程来模拟。
表1压电特性
图1 三种机电能量转换器的能量密度比较
逆压电效应：
ε=c Esigma;丁ES
i其中矢量D是介电位移，单位为N/mV或C/m，2
ε是应变矢量，是E类
图2显示压电靴集成的分解图10
m jk伏特/米，是N/m的应力矢量。压电材料sigma;2
im常数是压电系数d和d cm/V或C/N，介电常数esigma;，N/V或F/m，和se2是m/N中的弹性柔度矩阵。上标和分别指逆效应和直接效应，上标和表示量分别在恒定应力和恒定电场下测量。2c类丁sigma;E类
有代表性的压电材料可分为压电陶瓷和压电聚合物。压电陶瓷具有较大的机电耦合常数和较高的能量转换率，但其脆性大，不能用于一般形状的能量传感器。另一方面，与压电陶瓷相比，压电聚合物具有更小的机电耦合常数，但它们非常灵活。表1显示了具有代表性的压电陶瓷（PZT-5H，PZT-8）和压电聚合物（聚偏氟乙烯，PVDF）的材料特性。基于直接压电原理，对机械振动中的压电能量采集进行了大量的研究工作。本文综述了从机械振动中获取压电能量的技术。
2. 压电陶瓷的能量收集
在这一节中，我们回顾了压电陶瓷的振动能量收集。下文介绍了各种振动装置、单晶压电材料和振动能量采集的数学模型。Priya对
（a） 31模式（b） 33模式（c） 沿3轴的压缩应变图3 PZT材料的常规轴定义11使用低剖面传感器的压电能量收集和各种能量收集原型设备的结果。他还简要讨论了用于开、关共振应用的压电材料的选择。根据他的理论计算，压电式能量收集装置的能量密度是静电和电磁装置的3-5倍（图1）。
Paradiso等人。提出了一种利用压电陶瓷复合材料制成的单形条和由多层聚偏氟乙烯箔制成的stave从压电鞋中获取寄生功率的方法，该stave在承载行走时周期性地广播数字RFID（图2）。他们进一步探索了利用压电鞋的寄生能量，并使用了简单的机械结构和柔性压电材料，从而实现了舒适的压电鞋设计（图3）。
2.1悬臂式
悬臂梁式振动能量采集器结构简单，在振动作用下会产生较大的变形。Flynn和Sander对PZT（锆钛酸铅）材料施加了基本限制，并指出机械应力限制是典型PZT材料的有效限制。他们报道了PZT-5H在100khz时的机械应力限制工作循环为330W/cm。
Elvin等人。利用梁单元建立了理论模型，并对PZT材料进行了功率采集实验。结果表明，简单的梁弯曲可以提供应变能传感器的自电源。
赖特等人。介绍了一系列振动能量采集装置。首先，他们指出在普通家庭和办公环境中发生的低电平振动是一种潜在的电源，并研究了电容式MEMS和压电转换器。仿真结果表明，采用压电转换技术的功率捕获能力明显提高。他们优化了两层悬臂压电发电机，并通过理论分析进行了验证（图4）。他们还利用压电材料建立了一个小型悬臂梁式装置的模型，该装置可以从低水平的环境振动源中获取能量，并提出了新的设计结构，以提高功率收集能力。采用轴向压缩压电双晶片，使谐振频率降低24%。他们发现，在低于空载谐振频率19-24%的频率下，功率输出为标称值的65-90%。
英曼的研究小组发表了10多篇论文，涉及使用PZT、双晶片快速封装（QP）驱动器和微纤维复合材料（MFC）的振动能量收集。Sodano等人。对压电陶瓷（PZT）和MFC进行了研究，并对两种材料的效率进行了估算。他们还对三种类型的压电器件进行了实验研究，一种是单片PZT，一种是双晶片QP，另一种是MFC能量收集器件，以确定它们对放电电池的充电能力。
Shen等人。提出了一种用于低频振动能量采集的微机械硅质量压电悬臂梁。平均功率和功率密度
0.32瓦和416瓦/厘米。Liu等人。为了提高频率灵活性和功率输出，研制了一种基于厚膜压电悬臂梁的阵列电源。他们报告了3.98mw有效电功率和
3.93直流输出电压对电阻负载。Choi等人。开发了一种利用薄膜压电陶瓷（PZT）实现自支撑传感器的能量采集MEMS器件。以特定频率共振
图4安装为悬臂的双层弯曲机
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（a） 悬臂式
（b） 钹型24
图5常规压电能量采集器
外部振动能量源可以通过压电效应产生电能。模拟了验证质量、梁形和阻尼对发电性能的影响，为环境可利用的低频振动的最大功率获取提供了指导。
2.2 钹型
钹结构在横向外力作用下能产生较大的面内应变，有利于微能量的收集。Kim等人。报道了预应力循环条件下压电储能的研究结果，并用有限元分析对实验结果进行了验证。Li等人。提出了一个两个环形压电堆，一对弓形弹性板，一个轴预压缩他们（图5）。研究表明，与传统的弯曲-拉伸模式相比，弯曲-压缩模式压电换能器能够产生更多的电压输出和功率输出。
2.3 堆栈类型
叠层式压电换能器采用压电材料的d型结构，能产生较大的电能，压电材料层的多层叠层使换能器具有较大的电容。Adhikari等人。提出了一种利用叠层结构而非悬臂梁谐振时谐波激励的随机方法，并分析了两种情况：电路中有电感和无电感。勒菲夫雷
图6含压电元件的振动结构模型
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图7正态分布力在d31模激励下的弯曲PZT单形
艾尔。提出了一种振动压电能量采集中的同步开关阻尼（SSD）（图6）。他们声称SSD增加了压电机械加载循环产生的电转换能。这种堆栈类型在机械冲击下可能很弱。
2.4 外壳类型
由于壳体结构比平板结构能产生更大的应变，因此可以提高压电储能的效率。Yoon等人。使用弯曲压电陶瓷增加由于机械应变的电荷（图7）。他们利用壳理论和线性压电本构方程对分析模型进行了优化，得到了电荷产生表达式。Yoon等人。利用气动冲击试验机对环形PZT-5A元件进行了试验研究。他们发现了压电常数与加载速率的关系、压电效应的冲击时效以及能量传递效率与归一化脉冲变化的关系。Chen等人。分析了扭转振动下极化陶瓷圆形压电壳体的电性能。该结构从扭转振动中获取电能。
2.5 建模与理论
压电储能装置的理论建模不仅要考虑其结构，还要考虑压电耦合效应和电特性。Erturk和Inman提出了一种改进的数学模型，并试图纠正与数学公式有关的过于简化的问题，如压电耦合、物理模型、低保真模型和基本运动模型。他们还提出了修正系数
建立了单自由度基础激励模型，研究了多个研究者常用的单自由度谐波基础激励关系，以利用机械振动获取能量。他们还报道了压电陶瓷层串联和并联的双晶片悬臂结构的封闭解析解。
Marqui等人。提出了一种基于基尔霍夫板假设的机电耦合有限元（FE）板模型，该模型还考虑了导电电极的影响，用于预测压电能量采集器板的电功率输出。用实验和解析解对单形悬臂梁的有限元模拟结果进行了验证。
Renno等人。利用电感和电阻负载对压电振动式能量采集器进行了优化设计，结果表明在电路中增加电感可以提高能量采集器的性能。
Pouline等人。比较了一种由线圈中的平移磁铁构成的电磁系统和一个一端嵌压电陶瓷棒，另一端受约束的压电系统。他们预测信号水平具有很强的相似性和二重性。
Ajitsaria等人。基于Euler-Bernoulli梁理论和Timoshenko梁方程的电压和功率产生的预期分析方法。结果表明，实验结果与模拟结果比较令人满意。
Hu等人。提出了一种基于非线性整流器的压电收割机机电一体化系统建模方法。结果表明，在无量纲长宽比一定的情况下，通过改变无量纲电感和固定的无量纲端部质量，可以使功率密度最大化。
舒和连计算了整流式压电功率收割机在稳态条件下的能量转换效率。他们发现，优化准则取决于机电耦合的相对强度。
Marzencki等人。提出了一种采用机械非线性应变硬化的无源宽带自适应系统。他们报告了实验验证的频率适应性超过36%的夹紧梁装置在2g输入加速度。他们声称，所提出的解决方案非常适合高振幅振动丰富的自主工业机械监控系统。
Ditel等人。提出了横向压电梁的Timoshenko模型，克服了Euler-Bernoulli梁模型中参数预测值过高的问题。他们报告了压电梁的电压、电流、功率和尖端偏转的精确表达式。他们还利用启发式优化程序对光束形状进行了优化，并用实验结果验证了该优化光束的属性。
Gammaitoni等人。利用非线性随机微分方程对压电捕获振子动力学进行建模，突出了噪声和非线性的优点.
Gao等人。从理论上分析了压电长度和非压电长度不等的压电单形悬臂梁的振动能量收集问题。他们发现，在固定的振动频率下，非压电长度比大于1时出现最大开路电压，非压电长度比为1时出现最大功率。
奈特等人。提出了叉指压电MEMS单形悬臂梁最佳能量捕获的准则。结果表明，极化行为是研究非均匀极化实际损耗的关键因素。为了研究电极形状、压电层尺寸和电极尺寸对极化率因子的影响，进行了参数化研究。他们提出了设计指南，以帮助确保压电MEMS器件的发展，以获得最佳的能量收集或调谐性能。
Ly等人。在Euler-Bernoulli梁理论的假设下，建立了31效应的压电悬臂梁弯曲模型。利用哈密顿原理建立了全局系统的运动方程，并用模态分解法求解。他们提供了利用直接压电效应提高机械能转化为电能的数学模型。结果表明，谐振频率的第二模提供的电压和带宽远大于第一模。
图8 PCGE-A中性轴的几何形状和位置55
与高能量密度压电材料0.9Pb（Zr0.56ti0.44）O3–0.1Pb[（Zn0.8/3ni0.2/3）Nb2/3]O3 2mol%MnO2（PZTZNN）和0.8[Pb（Zr0.52Ti0.48）O3]–0.2[Pb（Zn1/3nb2/3）O3对应的传统压电陶瓷加工方法
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