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1 压电能量收集技术1

1.1 能量收集技术基础2

1.2 案例研究：压电片粘合于长悬臂梁，悬臂梁末端带有质量块4

1.3 压电材料6

1.3.1 压电多晶陶瓷6

1.3.2 压电单晶材料8

1.3.3 压电和电致伸缩聚合物10

1.3.4 压电薄膜11

1.4 压电换能器12

1.5 介观-宏观尺度的能量收集器14

1.5.1 激光微加工制备的机械能量收集器14

1.5.2 使用压电纤维的机械能量收集器16

1.6 微型压电发电器17

1.6.1 压电微悬臂梁17

1.7 能量收集电路20

1.8 提高能量收集器性能的方法21

1.8.1 多模式能量收集21

1.8.2 磁电复合物24

1.8.3 自调谐25

1.8.4 频率泵浦26

1.8.5 宽带换能器26

1.9 应用举例27

1.9.1 边境安全检测传感器27

1.9.2 生物医学应用29

1.10 总结29

参考文献30

2 悬臂梁式压电能量收集器的机电模型34

2.1 引言34

2.2 集总参数模型的幅值修正36

2.2.1 非耦合集总参数基座激励模型37

2.2.2 非耦合分布参数基座激励模型38

2.2.3 集总参数模型的修正因子41

2.2.4 压电耦合集总参数方程中的修正因子45

2.3 耦合分布参数模型与封闭解46

2.3.1 模型假设46

2.3.2 数学基础46

2.3.3 压电单晶片结构49

2.3.4 压电双晶片结构52

2.3.5 单模机电方程54

2.3.6 实验验证56

参考文献62

3 振动式压电能量收集器的性能计算65

3.1 引言65

3.1.1 宏观压电发电器67

3.1.2 微型压电发电器68

3.1.3 转换效率和电致阻尼68

3.1.4 能量存储电路69

3.2 方法70

3.2.1 标准AC-DC收集电路70

3.2.2 SSHI收集电路74

3.3 结果76

3.3.1 标准接口电路76

3.3.2 SSHI接口电路80

3.4 总结84

参考文献84

4 压电等效电路模型91

4.1 基于模型的设计过程91

4.1.1 压电发电器的基本结构91

4.2 压电材料的线性本构方程92

4.3 固定边界条件下系统的压电等效电路模型93

4.3.1 准静态特性93

4.3.2 动态特性的单自由度模型94

4.3.3 动态特性的多自由度模型96

4.3.4 实验参数确定96

4.3.5 案例研究98

4.4 解析法确定等效电路模型参数99

4.4.1 解析法建立压电双晶片模型的一般步骤99

4.4.2 利用解析模型确定压电等效电路的模型参数101

4.5 基座激励压电系统的等效电路模型102

4.6 利用压电等效电路模型对整个PEG系统进行分析103

4.6.1 带有负载电阻的压电等效电路模型103

4.6.2 最大输出功率分析103

4.6.3 基座激励下压电等效电路模型的实验验证105

4.6.4 几何效应106

4.6.5 PEG与激励源耦合模型，多自由度问题107

4.7 总结108

参考文献108

5 电磁能量收集技术110

5.1 引言110

5.2 基本原理111

5.3 绕线线圈的特性112

5.4 微加工线圈114

5.5 磁性材料115

5.6 振动式电磁发电器的按比例缩小117

5.7 电磁阻尼按比例缩小120

5.8 电磁发电器功率优化122

5.9 现有器件综述122

5.10 微型器件123

5.11 宏观器件127

5.12 商用器件129

5.13 总结132

参考文献133

6 利用压电叠层结构的振动能量收集器优化136

6.1 引言137

6.2 一维机电解析模型139

6.3 功率优化142

6.4 并联RL电路的优化143

6.4.1 纯电阻电路145

6.4.2 并联RL电路152

6.5 串联RL电路156

6.5.1 串联RL电路的优化结果157

6.6 总结159

参考文献160

7 无线传感器的能量收集162

7.1 引言162

7.2 背景162

7.3 利用能量收集无线传感器跟踪直升机部件的载荷163

7.4 利用太阳能无线传感器监测大跨度桥梁170

7.5 关于MicroStrain公司172

参考文献172

8 利用非线性技术的能量收集174

8.1 引言174

8.2 非线性技术及其在振动控制方面的应用175

8.2.1 基本原理175

8.3 稳态条件下用于能量收集的非线性技术183

8.3.1 技术原理184

8.3.2 无阻尼振动分析185

8.3.3 阻尼效应188

8.3.4 实验验证193

8.4 脉冲工作方式的能量收集195

8.4.1 SSHI技术195

8.4.2 性能比较200

8.4.3 实验验证201

8.5 其他非线性能量收集技术203

8.5.1 串联SSHI技术203

8.5.2 考虑阻尼效应的理论分析206

8.5.3 同步电荷提取（SECE）技术208

8.5.4 实验验证212

8. 6宽带激励下的能量收集技术215

8.6.1 多模振动216

8.6.2 随机振动216

8.7 总结217

参考文献218

9 无线传感器网络中的能源220

9.1 引言220

9.2 化学电池223

9.3 能量收集224

9.3.1 能量收集和能量提取225

9.3.2 光伏方法225

9.3.3 振动方法227

9.3.4 热电方法229

9.4 其他方法231

9.4.1 射频功率231

9.4.2 放射源231

9.5 功率转换231

9.6 能量存储232

9.7 实例232

9.7.1 矿井用传感器232

9.7.2 工业用传感器232

9.7.3 自然监测用传感器233

9.8 总结234

参考文献234

10 能量收集器中的微电子电路237

10.1 收集源238

10.1.1 能量和功率238

10.1.2 能量源239

10.2 功率调理241

10.2.1 微系统242

10.2.2 线性DC-DC转换器243

10.2.3 开关DC-DC转换器244

10.2.4 开关AC-DC转换器250

10.2.5 基本特性比较251

10.3 功率损耗252

10.3.1 导电损耗253

10.3.2 开关损耗257

10.3.3 静态损耗259

10.3.4 负载损耗259

10.4 系统实例：静电收集器261

10.4.1 收集电流261

10.4.2 涓流充电结构261

10.4.3 微电子收集电路263

10.5 总结266

11 热电能量收集技术267

11.1 热量收集267

11.2 热电发电器267

11.3 热电能量收集器的设计269

11.4 基本考虑269

11.5 热电效率270

11.6 匹配热阻270

11.7 热流272

11.8 热电发电器与换热器的匹配272

11.8.1 薄膜器件274

11.9 其他问题274

11.10 总结275

参考文献275

12 热电能量收集技术的优化276

12.1 引言276

12.2 基本热电理论276

12.3 器件有效ZT值279

12.4 系统级设计考虑280

12.5 最大功率输出的系统优化281

12.6 电压输出优化的设计考虑283

12.7 总结286

参考文献286

13 薄膜电池288

13.1 引言288

13.2 薄膜电池的结构、材料与制造289

13.3 薄膜电池的性能290

13.3.1 能量与功率290

13.3.2 充电特性292

13.3.3 循环寿命和储存寿命293

13.3.4 高温和低温特性294

13.4 总结与展望294

参考文献294

14 高能量密度电池材料296

14.1 引言296

14.2 锂离子电池的原理297

14.3 阴极材料299

14.3.1 层状氧化物阴极材料300

14.3.2 尖晶石型氧化物阴极材料303

14.3.3 橄榄石型氧化物阴极材料305

14.4 阳极材料307

14.5 总结309

参考文献309

15 用于植入式医疗器件的肌肉动力压电发电器313

15.1 引言313

15.2 肌力驱动发电器314

15.3 机电转换方法的选择317

15.4 与发电器系统相关的压电材料性质319

15.5 发电器输出功率的计算321

15.6 初步应用实例322

15.7 总结324

参考文献324

16 用于生物MEMS的压电能量收集328

16.1 引言328

16.2 用压电器件进行能量收集的一般描述329

16.3 弯曲的单层压电膜332

16.3.1 简支情况下压电材料局部覆盖的单层压电膜337

16.3.2 固支情况下压电材料局部覆盖的单层压电膜340

16.4 仿真结果与分析346

16.5 总结347

参考文献348

17 利用背包带的压电能量收集350

17.1 引言350

17.2 能量收集系统的模型354

17.2.1 压电背带的实验测试356

17.2.2 结果和模型验证360

17.2.3 背包功率计算363

17.3 利用机械放大的压电叠层能量收集365

17.3.1 能量收集系统的理论模型和实验验证366

17.3.2 结果和模型验证368

17.3.3 背包功率计算371

17.4 结论372

参考文献373

18 用于有源射频传感器及识别标签的能量收集374

18.1 引言374

18.2 RFID标签376

18.2.1 无源RFID376

18.2.2 电池辅助的无源式（BAP）RFID377

18.2.3 有源RFID377

18.3 RFID工作原理和能量传输378

18.4 电池寿命380

18.5 RF传感器和ID标签的工作原理381

18.6 能量收集的重要性382

18.7 能量收集技术和相关的工作383

18.8 能量收集设计385

18.8.1 能量存储技术385

18.8.2 能量需求和电源管理问题386

18.8.3 振动能量收集387

18.8.4 太阳能能量收集391

18.9 相关的电路和系统394

18.9.1 AC-DC整流器394

18.9.2 DC-DC开关模式变换器395

18.10 未来的发展方向397

18.11 总结398

参考文献398

19 结构健康监测（SHM）无线传感器节点的供电404

19.1 引言404

19.2 SHM传感系统设计405

19.3 当前的SHM传感器405

19.4 与传感系统相关的能量优化方法406

19.4.1 动态电压调节408

19.4.2 动态功率管理408

19.5 SHM能量收集技术应用410

19.6 未来的需求和挑战413

19.7 总结414

参考文献414

附录A 振动能量收集的相关标准416

A.1 用于能量收集的振源417

A.2 描述振源所需的参数417

A.3 描述振动能量收集的理论模型418

A.3.1 Williams-Yates模型418

A.3.2 Erturk-Inman模型418

A.4 振动能量收集器的表征420

A.5 调理电路的表征420

参考文献420