第39卷第6期

2009年11月吉林大学学报(工学版)

Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition)

压电发电装置的功率分析与试验

唐可洪阔君武任玉2王淑云2朱国仁邵承会1

(1.吉林大学机械科学与工程学院，长春130022，2.吉林大学数学学院，长春130012)Vol.

39 NO.6

Nov.2009

摘要:为提高压电发电装置(能量转换系统)的输出功率，建立了简谐激励条件下两种能量转

换电路(交、直流输出)功率计算模型，并进行了模拟分析及试验验证。理论研究结果表明，在

压电振子开路电压(结构尺寸及激励频率)一定时，存在不同的最佳负载使交、直流输出电路获

得最大的输出功率，交流输出的最佳负载及最大功率分别是直流输出最佳负载及最大功率的

2/π和π/2倍。试验用压电振子尺寸为58mmX30 mmXO. 7

mm，激励频率为44.3Hz时的

开路电压为14.8V。交、直流输出电路所对应的最佳理论/试验负载分别为72/7lkD和113/

110

kD，最大理论/试验功率分别为0.76/87mW和0.49/4.7mW。

关键词:仪器仪表技术;压电;压电发电装置;输出功率;能量转换

中图分类号:TN836

文献标识码:A文章编号:1671-5497(2009)06-1550-04

Power analysis and test of piezoelectric generator

TANG

Ke-hon矿，KANJu日wu1,

REN Yu2 ,

WANG Shu-yun2 ,

ZHU Guo-ren1 ,

SHAO Cheng-hui1

(1. College of Mechanical

Scienceαnd Engineeri吨，] ilin University, Changchun 130022

, China,

2.

College of

Mathematics, ] ilin

Univeγsity， Changchun 130012

, China)

Abstract: In order to enhance the output power of a piezoelectric generator(energy conversion system) ,

power calculation models were established for the AC-and DC-output circuits and their simulation

analysis and test validation were performed. The analysis results showed that there were different

optimal load resistances for the two output circuits to obtain maximal output power under a given open

voltage of piezoelectric oscillator,

which depends

0日itssize and librating frequency. The optimal load

and maximal power of the AC-output-circuit are 2/rr

andπ/2 times those of the DC -output-circuit,

respectively. The open voltage of the tested piezoelectric oscillator(58 mmX 30 mm X O. 7 mm) is 14. 8

V at vibrating frequency of 44. 3 Hz. Accordingly,

the optimal analytical/

tested load resistance of the

AC-and DC-circuits are 72/7l kD and 113/110 kD,

and the maximal analytical/

tested power are

0.76/87 mW and 0.49/4.7 mW,

respectively.

Key words: technology of instrument and meter; piezoelectric; piezoelectric generator; output power;

energy converS

lOn

为满足便携式微功率电子产品及无源传感器

的需求，压电发电技术的研究已成为目前国际上

收稿日期:2008-08-12. 的一个热点[川。与电醋、静电及热电等发电装置

相比，压电发电装置具有结构简单、不发热、无电

基金项目:国家自然科学基金项目(50775093)，吉林省科技发展计划项目(20050316-2，20070331).

作者简介:唐可洪(1952-)，男，副教授.研究方向:压电驱动与控制技术.E-mail:tangkh@jlu.edu.cn

通信作者:阙君武(1965-)，男，教授，博士生导师.研究方向:压电驱动与控制技术.E-mail: kanjw@jlu.edu.cn 第6期唐可洪，等:压电友电装置的功率分析与试验• 1553 •

负载的增加而增加，尽管变化趋势不同，但最终都

逐渐趋近于压电振子的开路电压(峰值l4.8V,

有效值10.5V)。图4中，两种能量转换电路都

存在最佳负载使得其输出功率最大，并且交流输

出电路的最佳负载小，但功率较大。交、直流输出

电路的最佳理论负载分别为72kD和113kD，所

对应的最大输出功率分别为0.76mW和O.49

mW;试验测得最佳负载值分别为71kD和110

kD，对应的最大输出功率值分别为0.87mW和

0.47

mW。由此可见，试验测试结果与理论分析

结果比较接近，证明了理论分析结果的正确性。

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图3负载电压与负载电阻的关系曲线

Fig. 3 Relationship between output voltage and

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图4输出功率与负载电阻的关系曲线

Fig. 4 Relationship between output power and load

本文以确定的压电振子发电能力(开路电压)

为前提，研究了负载对输出功率影响规律。对于

产品设计，负载及功耗已知，依然可以采用本文的

模型进行压电振子的结构设计。

4

结束语

根据压电陶瓷的电特性等效电路，建立了简

谐激励条件下两种不同压电能量转换系统的功率

计算模型，并进行了试验验证。理论分析及试验

测试结果表明，压电发电装置的输出电压和功率

与负载电阻的大小有关，电压随着负载电阻值的

增加而增加，并逐渐接近压电振子的开路电压;存

在一个最佳的负载电阻值使压电发电装置的输出功率最大;最佳负载电阻及最大输出功率还与能

量转换电路有关，交流输出的最佳负载电阻及最

大功率分别是直流输出最佳负载电阻及最大功率

的2/π和π/2倍。因此，进行压电能量转换系统

设计时，应根据负载电阻、功率及能量转换电路形

式确定合理的压电振子结构参数。

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