振动能量的获取（中文）

1机械振动能量收集和能量转换Ghislain Despesse, Thomas Jager, Cyril Condemine and Pierre-Damien BergerCEA/LETI-MinatecGrenoble, France摘要我们在本文提出我们不同的方法开发一个高效率的联合机械振动能量收获系统。我们将用一个 100G 移动质量的宏观结构去论证一个完整的静电转换的可行性。 一个可利用输出功率为 16 W 每克移动质量和每在一个大频带(20-100 Hz)的 Hz 可获得了全部功率的 60%。 相对位移值接近间隙值可提高工作效率。为了接近那值，我们介绍的这种非线性系统，其在梁的弹簧和指导方面的特性非常符合低位移的要求，而且为了减少这些问题，高位移却是很困难的。我们开发了一个 10g 的结构，以验证它。最后我们提出了一个综合源设计结构能最大限度地增加不依赖于振源的电容变化量。最后，我们提出我们的能量转换的方法。 引言为了寻找机械振动，我们必须依靠惯性质量去创造一个人工机械参考点，然后通过机械电气转换器将振能和惯性能转换成电能。 我们可以从理论上证明了振动能量收获主要来源是由惯性质量和输入振动产生的可用的输入能量。 输入振动只能从工作平台上获取，为了尽量缩小系统，我们必须优化系统使用的惯性质量，其主要可分为质量部分和数量部分。为了印证假设，我们在不同环境中的做一些加速度测量（运输，工业机器.）以及我们选择了共振频率（50 Hz）和电气阻尼，最大限度地规范化的惯性质量的机械能提取。 为获得一个能够满足这些不同的环境全波段的高频系统，我们展示了一个先例文件。高阻尼等效电（0.1）是必需的， 这个高阻尼只能通过静电传导或许，以防止低频率输入(120Hz)以及小系统。 我们的设计方法在我们的设计方法中，我们建议为了最大限度的提取能量，应在能量密度最大的地方假设一个无限输入能量水平。为此我们必须先弄清机械振动能的输入形式，也就是说输入的振动频率和加速度。A 输入数据振动是由工作平台产生的，不能轻易修改。这就是为什么收集系统必须适应环境的振动，即使振动水平和频率不适合转换器。事实上，转换器的输入振动频率和加速度越大越高，输出功率水平也越高，但是输入的振动频率和加速度很少高于120Hz 和几米每秒。这也是为什么收集系统的功率不能由实际振动的输出功率决定。而主要是由它的转换能力和最大的输入振动， ，即使输入振动很小。第二个参数是可用的输入能量的惯性质量。事实上，可提取的能量成正比于它的2质量，但这个质量不能对这个小系统造成重大影响。尽管如此，还是会额外的增加一些质量，如电池和天线。但是整体规模仍然尽可能减少，而移动质量的大小可以代表 90的整体系统的大小。其结果是要改善使用质量必须要用一个更大的转换器。B最大化的提取输入能量为了最大限度地提取输入能量， 在收集系统必须要有一定的输入阻抗与输入振动相一致。 如果输入的振动都知道了， 就不要再去改变这个机器的电子网络的频率。良好的输入阻抗从共振系统中获取的，而共振频率是由输入振动频率决定的。另外，如果输入振动没有适当的自然的根据运输机器（汽车，飞机，火车.）调整节奏。 最好有一个基于连接机械部分和电子部分的宽频系统。我们可以从先前的研究中找到许多震动源(大厦、机械机器，运输机器的古典来源)，一个好的方案是有一个收集系统由大约 50 赫兹的共振频率和高达 1/10 的电子阻尼组成， 从而收集范围从几赫兹到 120 赫兹。这个高阻尼只能通过静电传导获取，以防止低频率输入(120Hz)以及小系统（cm 3）。 示证举例为了证明有适当的输入阻抗静电传导系统转换机械能的可行性。 我们发明了第一个实例。 （如图 1）图 1.第一个实验原型接着又提出了一种如图 2 的原理图， 我们证明的一部分是机械振动能的转换率能达到 60%的可能性，另一个是 该系统有能力去应对不同的振动水平。3图 2. 能量平衡分布图（50 赫兹，90 微米）效率的 60%领会记述的力量管理消耗。这系统在一当前形式中和在一有用电压(3V） 方面是在我们完全自治和能直接生产一额外的力量知识第一静电的系统中。但是系统中的一些局限性：两之间的距离必须大于相对位移幅值，从而限制了电容密度高。与位移幅度减小效率降低。这是由于下降的电容减少了，能量增益变化比较了两极分化需要的能量。该系统需要一个两极化的初始能量来源。我们用不同的方式来描述以下部分来超越这些限制。A 电容密度在案件保持在一个平面间隙关闭的结构，我们发现，对于一个给定的位移振幅，这很有趣使用的电容密度长期三角形结构。此外，这种类型的结构是有可能的机械间隙，然后调整结构，以适应的振动情况，以最大限度地提高电容变化。为了验证其新的几何的兴趣，我们设计并制作了第二钨原型。这第二个原型，于图 3给出了一个惯性质量的 10 倍小于第一次，并允许我们拥有一个尺度效应分析。4图 3.第二个模型含三角叶片（2.9 立方厘米）B初始能源的产生静电传导比较大的限制在其他转导的原则是， 它需要一个初始能量启动。 事实上，如果能积极静电驱动力， 以最大限度地吸收能量在对部分输入它需要一个初始能量来源被应用。如果能清除目标是延长电池寿命，这很好。但是，如果目标是实现能源输入系统内唯一一个没有期限的基础上与一些长期能源清除， 它可以是一个问题。为了克服这一限制，我们建议结合这两种现象的静电原理与压电之间的同步由明智。这个想法是，压电结构变形达到最大时达到电容静电结构最大，使压电元件直接转移到电容。静电结构，然后在自然源极化没有外部的好时光。启动后，该系统能用主动模式的优化。我们的第二个钨原型是完全可拆卸和调节，我们可以交换的压电梁（图 4）被动光束。对于这种结构，最大限度地梁机械张力对应于电容最大。图 4.与可交换梁的原型C保持恒定的相对位移幅值效率是强烈的振幅依赖，这是最佳的，而只有相对位移幅度接近手指之间，但输入振幅是可变的差距。 为了保持相当恒定的相对位移幅值对我们专利的光束为指导， 用弹簧和几何非线性的解决方案。这个想法是有一个低的幅度非常灵活的梁位移，以让自由的相对位移，并有一硬梁当输入位移变得很高，以限制不耗的相对位移的幅度。此外，如果与相对位移振幅刚度的增加，共振频率也相当于增加了可以遵循的幅度和上一个十年的输入频率。 作者： 图 5 给出了加速度的惯性质量水平位移响应不同输入频率和。对于每一个点，从零重新开始计算的位置，但如果输入的振动来自低频和逐步提高到一个高频率，可以扩大频带在共振行为。5图5.在正常频率下相对位移变化量， 加速度为不同的输入和 126m 厚的非线性压电梁D电机倍频率因为转换器的功率能力是成正比于它的工作频率的， 我们设计了一个具有适当的根据输入频率变化电容频率微小机构，这些小机构是工作在重叠模式下的。图 6. 综合结构（10*10*0.5mm3）6电源管理机械振动转化为电能，建议用微机电系统结构，它包含一个含有电池的能量转换机构（可以存储能量） ，一个电感变压器（反激式结构）和 2 个功率 MOS。为了控制微机电系统和电池之间的电荷转移， 两个 MOS 的状态必须受控于振动频率和振幅。 一个最小和最大容量监控系统管理的时间控制单元，以形成脉冲信号控制MOS 的功率状态。图 7. 系统原理图根据集成水平，（PCB 和 ASIC） 这些功能是通过以下的模块实现： 基于离散 AOP，比较器，逆变器和 RC 延迟线的印制电路板，集成了时空差异的跨导放大器的ASIC 的解决方案，和 CMOS 晶闸管为基础的时序控制单元。图8.整合的PCB电路图不管解决方案，电池或目的的电子模块之间的微源和收费，是要最大限度地提高发电机的能量，最大限度地给予负载和系统的寿命。收集系统的一个用途是无线自动感应。但有些问题是限制了这些网络的发展：一方面，作为为机械收集器收集的能源代替其他的能源，例如像热电发电机。或小型太阳能电池，最大的一次性能源量并不稳定，它具有在高阻抗和通用性。在另一方面，我们需要提供所需的低阻抗电压源电路和稳压电源。由于消费为例，接口的数字传感器转换范围占很大比例，在恒功率消耗方面。对于换能器，功率消耗在传输范围内的位的每 100 毫安 1NJ， 且其电流峰值很高（少数） 。因此，必须要有足够的能源系统需要高效率多渠道收集系统， 及可靠的电力和能源管理的存储解决方案。电源管理是需要提取的最大功率点时的能量，与每个来源最大功率跟踪系统，并选择最佳的电源通路间的来源，负载和电池的效率任期。7图 9. 电源路径配置管理在目前，集成电路是 3.3 至 0.5V 下工作，这取决于技术和功能（模拟或数字） 。这些电池是设计来存储能量最大，因此增加的趋势是在超过 3V 的电池电压。在能源产出不超过 1V 的。现在的问题是：如何避免从源头（1V 时）电源路径电池（3V）的第一个 DCDC 转换槽，然后从电池到负载（例如为 0.8V）槽第二 DCDC和 LDO 的转换器监管机构？在这方面与一个负载 500w 功耗情况下， 总有效率不超过 30 %.关于解决方案是管理权力的道路， 从源头去 （1V 时） 至负载 （0.8V的）槽的 LDO 稳压器直接。总有效率增长到 70！这意味着解决方案非常具有挑战性的设计与超低功耗技术，在核武器，数十范围（功能） ：收获的功率水平监测，监测和电池充电器芯片，负载功率消耗的监测，综合 DCDC 转换器和 LDO 调节器。动态电源管理将优化能源开采，由于电源路径的重新配置和低功耗环境知道算法。用于超低功耗 ADC 和数字专用电路异步解决方案似乎是一个较好的方式。结论本文提出了不同论证。我们从一个质量为 100 克宏观结构开始研究（见图 1） 。这种结构是有着长方形的间隔，但我们发现，电容密度增加，可使用三角形间隔（见图 3） 。此外，这种类型的结构，很容易调整，通过调整间距重叠的差距（见图 4） 。为了最大限度地通过电容的变化提高效率，最大时是有相对位移幅值接近的差距值。为了接近那个值，我们提出了几何非线性的使用梁的弹簧与及质量与支撑。这种非线性给予梁的固有特性是非常灵活在低幅度下的相对位移，后果将非常难以与高振幅相对位移放大输入的低振动幅度匹配， 限制高相对位移和扩大波段的共振频率都处于活动状态（参见图 5） 。最后，我们可以使用压电梁生成开始收费，最高梁约束对应的最大电容值。关于电源管理，我们提出了我们的管理办法，由每个源的客观独立， 不断提取能量最大的可用存储量和它在一个充满活力的缓冲区能够适应生产的。8参考文献1 G. Despesse, T. Jager, J.J. Chaillout, J.M. Lger, A. Vassilev, S.Basrour and B. Charlot,“Fabrication And Characterization Of High Damping Electrostatic Micro Devices For VibrationEnergy Scavenging”, DTIP 2005, Montreux, Switzerland, ISBN:2-84813-0357-1, Session 11,Page 386-390.2 G. Despesse, T. Jager, J-J. Chaillout, “Method And Device For Converting Mechanical EnergyInto Electrical Energy”, Patent WO200708289A13 G. Despesse, Thomas Jager, Jean-Jacques Chaillout and Andrea Vassilev, “Mechanical energyrecovery apparatus with variable stiffness”, Patent EP1739813A14 Stocker A.A “Compact integrated transconductance amplifier circuit for temporaldifferentiation”, Circuits and Systems, 2003. ISCAS 03.Proceedings of the 2003 InternationalSymposium on Volume 1, 25-28 May 2003 Page(s):I-201 - I-204 vol.1.5 Gyudong Kim, Min-Kyu Kim, Byoung-Soo Chang, Wonchan Kim,“A low-voltage, low-powerCMOS delay element”, Solid-State Circuits, IEEE Journal, Vol 31, Issue 7, 07/1996 Page(s):966971.