信息学院智慧电气科学中心围绕动能收集技术在多个跨学科方向上取得重要进展

发布时间2022-11-23文章来源 信息科学与技术学院作者责任编辑刘玥

动能收集技术(kinetic energy harvesting technology,又称振动俘能技术通过收集人体或物体的机械运动能量,转换为有用电能以驱动物联网模块,让运动物件通过免电池、免维护的方式接入无线通信网络,助力实现未来万物互联的愿景。该技术的发展和进步有赖于来自材料、机械、电子、通信、计算机等跨学科领域的持续yl8cc永利创新。

yl6809永利信息学院智慧电气科学中心(CiPES机电与能量转换课题组(METAL)在该技术的多个相关跨学科方向上耕耘数近期,他们在机械结构分析和应用设计、电力电子和功率管理、低功耗嵌入式计算系统三个跨学科方向上的研究取得重要进展。


结构分析和应用设计



准静态机械能收集器已工业界量产20年,被广泛应用于无电池无线门铃、智能家居无线无源开关等长期以来工作原理和动力学特性尚未明晰本研究首次给出了严的能量分析理论模型力、磁、电耦合动力学仿真模型;重点强调了准静态机械势能预存储瞬间释放发电机制的基本原理和应用价值;揭示了能量缓存弹簧在准静态动能收集过程中的重要作用。相关研究成果以“Energy and dynamic analysis of quasi-static toggling mechanical energy harvester”为题,在微能量发电领域国际知名学术期刊Nano Energy上发表。论文还介绍了基于平均功率密度达20.7 kW/m3的商用动能收集模块和课题组设计的无电池蓝牙信标电路构建的一系列无源无线物联网应用(文章相关视频链接https://metal.shanghaitech.edu.cn/demo.htm

yl6809永利为本研究成果的第一完成单位,信息学院2021级硕士研究生刘诗逸为论文第一作者,梁俊睿教授为通讯作者。参与此工作的还有西安电子科技大学广州研究院李鑫教授(METAL课题组2022届博士毕业生)、课题组2018博士研究生滕雳、香港科技大学(广州)信息枢纽物联网学域的胡国标助理教授(METAL课题组2020-2021博士后)。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522009648


电力电子和功率管理

要构建一个运动供能的物联网系统,除了要有动能收集器模块,还需要把收获得到的电能进行整流、最大功率追踪等一系列电压调整和功率管理操作。过往研究表明,基于电力电子元件构建的同步开关电路对于提升压电动能收集效能具有显著效果。



本研究提出了一款名为多步电荷提取和电压偏置翻转(简称MCEBF)的接口电路,进一步提高机电耦合较弱条件下的俘能能力。表明,在恒定振幅的振动激励下,MCEBF俘能功率比经典整流电桥电路提升了487%同时MCEBF电路保持了与负载无关的特性,可以大幅简化后级电路的设计。相关成果以“A multistep charge extractions and voltage bias-flip (MCEBF) interface circuit for piezoelectric energy harvesting enhancement”为题,在电力电子领域国际知名学术期刊IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics发表。

yl6809永利为研究成果的唯一完成单位,信息学院2018级博士滕雳为论文第一作者,梁俊睿教授为通讯作者。智慧电气科学中心2020届硕士毕业生王世颖也参与了该工作。

文章链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9762748


要在振动俘能中实现同步开关控制,必须了解俘能振子的振动信息,精确分析获取每周期施加开关动作的具体时刻。在许多研究中,相位同步都是使用外加位移或速度传感器来实现的,不利于搭建一个紧凑、完备且超低功耗的系统。本研究提出了一款新颖的电路,通过使用同一个开关通路,分时复用地实现运动感知和能量收集。新提出的自感知机制为同步开关接口电路的设计提供了一种更灵活、信息量更大的解决方案。相关成果以“A switched-mode self-sensing solution for piezoelectric synchronous electric charge extraction (SECE)”为题,在电力电子领域国际知名学术期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上发表。



yl6809永利为研究成果的唯一完成单位,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。参与此工作的还有2018级博士生滕雳、智慧电气科学中心的王浩宇副教授和傅旻帆助理教授

文章链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9889030


低功耗嵌入式计算系统

除了深入研究运动供能物联网系统的电能产生和处理问题,研究团队还积极探索微能发电技术的应用出路。能量驱动型间歇计算技术近年在低功耗计算领域获得了广泛关注。METAL课题组是国际上最早将间歇计算技术结合复杂动能收集场景应用的yl8cc永利团队之一,他们在一个本科毕业设计课题的基础上研制出一款基于动能收集和电子墨水屏的无电池电子游戏机,英文简称Motion-powered Gameboy



通过机械、电子、程序的协同优化设计,该自供能设备可以做到一次按压完成一个游戏动作并刷新电子墨水屏的显示。研究人员在该游戏机上运行了一个有三个回合的推箱子(Sokoban)游戏(相关视频链接https://metal.shanghaitech.edu.cn/demo.htm相关成果以“Motion-powered Gameboy”为题,在嵌入式系统、传感器网络领域国际知名学术会议第20ACM嵌入式网络传感器系统会议(SenSys’22)上进行现场硬件展示与技术交流。


朱越同学在SenSys’22会议现场展示运动供能无电池游戏机


信息学院2021届本科毕业生朱越独立开发了该无电池游戏机的机械结构与外观、嵌入式电路硬件、游戏程序软件三个部分。朱越从本科毕业设计开始就坚持钻研基于运动供能的超低功耗间歇计算技术;毕业后,他前往美国弗吉尼亚大学攻读研究生。朱越于20221169日在美国波士顿现场参加了ACM SenSys 2022国际会议,向与会学者讲解了该款无电池电子游戏机的设计思路和关键技术,并展示了整体效果。

朱越同学是此项工作的第一作者,梁俊睿教授西安电子科技大学广州研究院李鑫教授(METAL课题组2022届博士毕业生)作为共同通讯作者指导了该项工作