针对传统TEG能量收集系统输入电压单一化与可用功率范围较窄的问题, 提出了一种适用于极性反转热电能量收集的升降压DC-DC转换器。采用双极性输入升降压拓扑结构, 能够自适应收集双极性输入热电能量, 并增加储能升降压回路, 有效拓宽了重载下可用功率范围, 保证输出电压稳定性, 并在轻负载时收集多余能量, 显著提高轻载转换效率, 保证系统续航能力。最大功率追踪方法采用结构简单、追踪效率较高的开路电压法。180 nm CMOS工艺仿真验证表明, 所提出的能量收集系统轻重负载条件下转换效率均高于85％, 最高转换效率为9326%(VTEG=500 mV, RS=210 Ω), 最大功率追踪效率达到9952％(VTEG=-600 mV), 电路最低工作输入电压为±25 mV, 且重负载下18 V输出电压纹波小于30 mV。

收集足部运动所产生的各种机械能并转换为电能的鞋式能量收集器, 在可穿戴式微型传感器中具有巨大的应用前景, 受到了国内外研究人员的广泛关注。文章系统调研了国内外鞋式能量收集器的研究进展。根据足部运动产生的不同的激励, 将鞋式能量收集器分为直接加载型和惯性激励型两大类。重点分析了这两类能量收集器的结构、工作原理及其优缺点, 并总结了鞋式能量收集器的发展趋势。

针对环境能量收集系统输出电压纹波高以及效率随负载变化等缺点, 提出了一种在宽负载范围内转换效率高且输出电压纹波低的能量收集系统。该系统基于最优化导通时间(OOT)控制方法对输出纹波进行调控, 解决了传统控制方法在小负载电容和轻载情况下纹波较大的问题; 此外, 基于自适应系统时钟频率(ACF)控制方法改善了传统方法在轻载时效率大幅度下降的问题, 实现系统在较宽负载范围内保持较高的效率。采用180 nm CMOS工艺对能量收集系统进行设计验证。仿真结果显示, 所设计的能量收集系统在1 mA负载电流范围内峰值效率为8975%, 最低效率为8375%, 其最低效率比同类系统提高了7个百分点以上; 在02 μF负载电容下纹波从17796 mV下降到2356 mV。

为了降低谐振频率，实现多方向收集和提高输出性能，提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能，将优化后的模型进行COMSOL仿真，分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器，4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz，输出电压达到12.3 V，输出功率达到400 μW。

压电振子的工作频带宽度是影响压电振动能量收集器发电效率的关键指标。该文旨在分析一种锯齿型阵列式压电振动能量收集器结构模态频率, 为压电振子的动力学设计提供参考。首先, 基于弹性梁振动理论, 推导了锯齿型压电梁的动力学方程, 并分析了影响压电梁模态频率的因素。然后, 通过COMSOL建立锯齿形压电梁的有限元模型, 分析了其频响特性、功率与负载阻抗匹配特性及加速度依赖性。最后, 通过实验研究测试了锯齿型压电梁的电压幅频特性曲线, 验证了理论分析与仿真模拟结果的合理性。结果表明, 锯齿型阵列式压电振动能量收集器能够有效地拓宽工作频带, 进而提高发电效率。

气动系统已广泛应用于工业生产中, 其工作时排出的气体直接进入大气, 因而浪费了大量的能量。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电片作为能量收集器核心部件, 对排出的压缩气体进行了能量收集。设计了多悬臂梁振动能量收集器, 利用ANSYS有限元仿真软件分析了压缩气体进入能量收集器后的流场, 通过试验测试了压电片发电效果。结果表明, 入射口直径、扰流柱直径、入射口压力和入射口距扰流柱距离都会影响压电片发电效果。当入射口压力为80 kPa,负载电阻为900 kΩ时, 能量收集器总功率约为120.64 μW, 与其他收集器相比提高了28.8%。

为了解决智能电网环境下输电线有害振动与工况检测传感器的供电及续航问题, 该文设计了一种压电式振动与磁场复合能量收集的防震锤。防震锤的主压电梁收集输电线振动能量, 副压电梁通过安装磁铁收集输电线电流产生的变化磁场能量, 摆脱了传统收集磁场能量时线圈的使用。对收集器进行有限元仿真分析与实验测试。结果表明, 收集器工作频带更宽, 比传统的单梁输出高54%, 主压电悬臂梁最大输出功率可达到874 μW, 副压电梁最大功率可达到683 μW。

提出了一种新型组合螺旋压电能量收集器。该收集器的底部是直角螺旋结构,顶部是圆弧螺旋结构,圆弧螺旋结构固定在直角螺旋结构的质量块上。通过旋转圆弧螺旋结构90°,可以得到四种结构,角度分别为0°,90°,180°,270°。直角螺旋结构的设计可以降低谐振频率,而圆弧螺旋结构的设计不仅可以降低谐振频率,还可以使整体结构进行多方向能量收集,从而提高输出。文章所提到的单个悬臂梁结构的厚度为1 mm,宽度为6 mm。通过计算及仿真可得,当两种结构的组合角度为180°时,可以得到最大输出电压为13 V,最大输出功率为1.3 mW。

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器，解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关，解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力，建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后，选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明，在1g(g=9.8 m/s2）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW，具有很强的低频能量收集性能。

为了提高光伏电池的收集效率和环境适应性,提出了一种带有MPPT功能的高效率光伏电池升压转换器芯片。该电路系统包括新型四相高效电荷泵模块、扰动观察法MPPT控制电路模块、反馈控制模块、纳安级电流基准、检测电路模块等。该芯片采用0.35 μm BCD工艺设计、仿真并流片。芯片尺寸为3.15 mm×2.43 mm。测试结果表明,当光伏电池输出电压大于0.5 V时,升压转换器芯片输出电压提升到3Vin,电压转换效率可达99.4%。MPPT算法使输出功率提升8.53%。当输出负载电流为297 μA时,最宽输出PCE达到85.1%。该芯片实现了高效升压光伏电池输出电压的目标。