基于可穿戴人体动能采集器的便携式集成供电系统的研发:理论模拟与可行性解决方案

发布时间:2018-5-8 13:32:00

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 在微电子和材料技术高速发展的今日,大量具有高度集成化的新型多功能微型电子器件不断被开发出来,并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而,和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后,一般说来,这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重,而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此,开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。

近年来,由于其具有高电压输出,高效能量转换,低制造成本和结构设计简单等优点,基于压电和摩擦电效应的可穿戴式柔性机械能量收集器的研发受到了高度关注,特别是摩擦电发电机。然而,传统电源管理电路的输出稳定性差,低功率密度,存储效率低等缺点限制了机械能量收集器为小型电子产品持续稳定地供电。摩擦电发电机采用的主要制备材料为绝缘体,因此其低功率密度很大程度上取决于较大的内部阻抗。为满足持续稳定地高压输出和功率匹配等要求,优化机械能收集器的结构及操作参数是实现高功率输出的必要条件。除此之外,寻找与摩擦电发电机相匹配的电源管理电路对于实现稳定高效的能量转换和存储也至关重要。通过仿真软件对摩擦电发电机进行理论建模和参数优化,这对于器件的结构设计以及实现在不同场合下的应用都是非常有帮助的。

在此项目中,我们拟采取理论与实验相结合的方法研发一套可对便携式可穿戴小型电子设备供电的无线集成式供电系统,此无线供电系统主要包括机械能量收集器和电力存储及能源管理电路。研究主要集中在以下三个方面:1)通过多物理场仿真软件(COMSOL), 对摩擦电发电机进行理论建模和结构优化,包括对垂直接触模式及滑动模式的结构和参数优化。2)通过集成电路仿真软件(SPICE),设计集成式无线电源管理电路,以实现对摩擦电发电机所转换的电能进行稳定高效的能量存储及后续供电。3) 根据COMSOL的理论模型和SPICE的电路模型,制作基于摩擦电发电机的无线集成式供电电路。本项目旨在实现具有高效机械能转换及稳定蓄电能力集成式无线供电系统,方便为便携式电子设备及时充电。