DOI：10.19729/https://www.doczj.com/doc/5113093597.html,ki.1009-6868.2018.05.007
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魏子钧/WEI Zijun
1
耿来鑫/GENG Laixin 2边森/BIAN Sen 1
（1.中国移动通信有限公司研究院，北京100053；
2.北京交通大学，北京100044）(1.The Research Institution of China Mobile,Beijing 100053,China;
2.Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)
摩擦纳米发电机等效电路模型研究
Equivalent Circuit Models of Triboelectric Nanogenerators
推导出了摩擦纳米发电机（TENG）的电路方程，由此建立了TENG 等效电路，并进行了PSpice 仿真。该项工作对后续TENG 的发电机理论分析、能量管理电路开发等工作提供了理论依据和实际物理模型。TENG；
能量收集；等效电路；机械能In this paper,the circuit equation of triboelectric nanogenerators (TENG)is
derived.Then,the equivalent circuit of TENG is established and the PSpice simulation is carried out.This work provides theoretical basis and actual physical model for the subsequent theoretical analysis of generators and energy management circuit development of TENG.
TENG;energy harvesting;equivalent circuit;mechanical energy
中图分类号：TN929.5
文献标志码：A 文章编号：1009-6868(2018)05-0035-005
摘要：关键词：Abstract:Key words:收稿日期：2018-07-18网络出版日期：2018-10-15
随
着便携式电子设备、传感器低功耗电子设备应用的快速增
长，从周围环境收集机械能量驱动这些设备的可持续电源的研究已经引起了全世界的关注。迄今为止，基于
压电
[1-4]
、电磁
[5-6]
效应的能量收集技术
证明了收集环境机械能的可行性。其中，电磁式收集方法密度低、集成度差、成本高；压电式收集法中的压电材料若在较大应变下工作，压电陶瓷会出现电疲劳，使电性能下降[7-8]，且该过程不可逆。近几年发明的摩擦纳米发电机（TENG ）因结构简单、可靠性高、无污染等优点
[9-12]
，为能量
收集技术提供了全新的思路和方案。
通过近几年的研究，TENG 的面积功率密度达到了313W/m 2，体积功率密度达到了490kW/m
3[13]
，机械能转
换效率最高已达85％左右[14]
。TENG 已被用作直接电源给手机电池充电，并可作为自供电有源传感器
[15-16]
。然
而，TENG 的实际广泛应用还需要解决2方面的难题：一方面仍然需要从
材料、结构、工艺等多方面进一步优化提升器件的输出性能；另一方面，面向TENG 的电源管理电路、信号处理电路、能量存储元件开发等电路开发工作也是实用化的关键环节，这需要从TENG 发电的物理过程出发，建立等效电路模型和仿真，分析整个系统的输出性能。Niu 等人[17]对TENG 的机理进行了详细分析，理论与实验结果吻合较好。然而，在Niu 的理论中，摩擦带电是通过指定的现象参数表面摩擦电荷密度（σ0）来考虑的，仅
分析了电场的输出，忽略了内部高阻损耗，这并不具有实际的物理意义。本文从接触-分离式TENG 的物理图像出发，推导得到等效电路方程和电路模型，最后我们用PSpice 实现TENG 的电学仿真，为TENG 开发和优化设计提供理论指导。
1TENG 建模和等效电路
方程
在Niu 的工作中，我们了解到
TENG 可分为导体-介质型（c-d ）和介质-介质型（d-d ）2种。其中c-d 型和
d-d 型TENG 输出特性具有相同的数学表达式，以下我们以c-d 型TENG 为例进行分析。
如图1所示，c-d 型TENG 的2个摩擦电层在外界激励作用下受迫彼此接触，然后在自身弹力作用下发生分离。2个摩擦电层之间的距离设为x (t )。2个摩擦层接触后，忽略表面电
发电机的物理模型
ZTE TECHNOLOGY JOURNAL
352018年10月第24卷第5期Oct.2018Vol.24No.5
中兴通讯技术