科研进展 | 信息学院梁俊睿课题组针对压电结构应用提出新型多功能整合电路

团队成员深入探讨了电路方案对压电结构宽频动力学特性以及俘能性能的影响。针对近年提出的几种变相位同步开关技术，研究人员首先使用等效机电阻抗模型进行了具有一般性的动力学建模与比较分析，重点考察了这些电路方案对拓展俘能带宽的贡献。接着他们通过对系统动力学要素的等效与定量分析，发现了实际接口电路的可取阻抗范围仅是理想任意范围的子集；实际谐振可调范围取决于电致阻抗的最大等效电抗部分。不同接口电路的仿真和实验数据与理论结果非常吻合。该工作所提供的一般性理论模型和定量等效阻抗分析将有助于指导高性能与宽频带压电能量收集系统的设计。

相关研究成果以“Circuit solutions toward broadband piezoelectric energy harvesting: an impedance analysis”为题，在电路与系统领域的国际学术期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers上发表。上海科技大学为该研究工作的第一完成单位，信息学院2020届硕士毕业生赵宝为第一作者，梁俊睿教授为通讯作者。参与此项工作的还有2022级博士生邱家聪。

在以往的应用中，接口电路是将压电传感、俘能、激励三种功能集成复用的主要障碍。团队成员通过引入开关模式的同步开关接口电路，探讨了通过“一石三鸟”的方式将三种功能整合的可能性。这种多功能设计是通过工作在断续导通模式（DCM）的多开关支路的改进型升降压转换器（buck-boost converter）来实现的。传感、俘能、激励三种功能以分时复用的方式运行，使得信息获取和能量转换过程得以解耦。实验样机能以500赫兹的频率对压电电压进行采样，并根据软件指令成功地执行机电正向或反向的能量转换任务。开关型自感应双向能量转换电路方案为未来多功能和小型化压电器件的设计提供了更紧凑和更灵活的软件化方案。

相关研究成果以“A self-sensing synchronous switch circuit for bidirectional piezoelectric energy conversion”为题，在工业电子领域的国际学术期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上在线发表。上海科技大学为该研究工作的唯一完成单位，信息学院2021级博士生高玲珑为论文第一作者，梁俊睿教授为通讯作者。2023届博士毕业生滕雳为共同作者。

在非线性俘能器的应用中，需要在一段短时间内进行振动激励，使俘能器能从低能振动轨道进入高能轨道以便收集更多能量。以往大部分研究均使用额外机械或电路模块实现短期振动激励。团队成员基于多功能整合的思想，采用开关型双向能量转换电路，仅通过同一个压电换能器分时实现了能量收集和振动激励的双重功能。为进一步了解振动轨道跃升过程的动态过程，他们建立了基于阻抗分析和多时间尺度方法的理论模型，分析了自洽和非自洽非线性能量收集系统的稳定性、频率响应和轨道跃升过程的相位演化。此外，他们构建了单稳态非线性能量采集器实验装置，在频率滞回范围内验证了振动能轨跃升的可行性。实验结果表明，轨道跃升后，收集功率可以提升近8倍，能快速补偿振动激励所付出的能量成本。这是第一个针对非线性压电俘能器的通过分时复用实现能量收集和轨道跃升的紧凑多功能解决方案。这项工作增强了非线性能量收集技术在工程应用中的实用性。

相关研究成果以“Time-sharing orbit jump and energy harvesting in nonlinear piezoelectric energy harvesters using a synchronous switch circuit”为题，在机械工程领域的国际学术期刊Mechanical Systems and Signal Processing上发表。上海科技大学为本研究成果的第一完成单位，信息学院2020届硕士毕业生赵宝为第一作者，上科大梁俊睿教授和香港中文大学廖维新教授为共同通讯作者，其他合作者包括香港中文大学汪家华博士，香港科技大学（广州）胡国标教授，瑞士苏黎世联邦理工学院Andrea Colombi博士。

上述三项工作得到了国家自然科学基金面上项目、联合基金项目和上海市自然科学基金面上项目的支持。

课题组介绍：

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