電磁式振動能量回收的研究

盧濤

(長江大學，湖北荊州，434023)

0 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)得到廣泛地應用，然而其供電問題正日益凸顯。一般的，我們使用傳統(tǒng)電化學電池為大量的無線傳感器節(jié)點供電，然而電化學電池存在著使用壽命短和電池化學物污染環(huán)境等缺點。因此，為無線傳感器節(jié)點探索一種新的供電方式是十分有意義的。大自然中的振動能源豐富，是一類持續(xù)穩(wěn)定的資源。

收集能量的方式多種多樣，其工作方式主要有三種：壓電式、靜電式和電磁式。綜合分析后，選擇電磁式能量收集方式來回收環(huán)境中的振動能。因為電磁式振動能量采集器回收得到的電壓是交變的波動信號，所以需要經(jīng)過能量回收電路變換后才能被高效穩(wěn)定地利用。通常，能量回收電路包括升壓電路、整流電路和DC-DC變換電路等。通過分析電磁式振動體裝置回收電壓的特點，最后選擇性能優(yōu)良的TLC3108能量轉(zhuǎn)換芯片，設計了簡易鋰電池充電保護系統(tǒng)用于保護鋰電池的充電安全。

1 電磁式振動體模型的分析

如圖1所示為基于電磁阻尼的能量回收物理模型，它由質(zhì)量塊(永磁體)、螺旋線圈、無磁滑桿和彈簧組成。當整體受到外界水平振動激勵時，由于兩根彈簧的彈性系數(shù)相同，質(zhì)量塊將會左右對稱運動，質(zhì)量塊運動過程中引起電磁感應系統(tǒng)中螺線圈的磁通量變化，線圈將會產(chǎn)生感應電動勢。質(zhì)量塊的重量為m，彈簧的彈性系數(shù)為k，電磁感應系統(tǒng)的電磁阻尼為ce。由牛頓第二定律可以推導出質(zhì)量塊的運動方程如下：

圖1 基于電磁阻尼的能量回收物理模型

根據(jù)該數(shù)學模型研制出電磁阻尼器，并在此基礎上制作了一個振動臺，最后構(gòu)成了電磁式振動體裝置。裝置實驗過程中產(chǎn)生的電壓曲線如圖2所示。

圖2 實驗中裝置產(chǎn)生的電壓曲線

2 能量回收電路系統(tǒng)的設計

2.1 升壓穩(wěn)壓電路設計

能量回收電路一般使用變壓器對正弦電壓升壓，二極管的全橋整流電路整流，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓或集成芯片輸出穩(wěn)定電壓。基于本文振動體裝置回收的能量功率小，因此能量回收電路著重低功耗設計。因為外圍電路越少，電路消耗的功率越小，優(yōu)先選擇升壓穩(wěn)壓集成芯片。

LTC3108升壓穩(wěn)壓芯片是一款專為能量回收應用設計的低功耗集成芯片，內(nèi)部含有全波整流器，輸出一個可調(diào)的穩(wěn)定電壓。當外界振動能量不能持續(xù)提供時，LTC3108芯片的Vstore引腳存儲的電能將給輸出引腳供能。因為收集的電壓經(jīng)變壓器升壓后，輸入LTC3108芯片的有效電壓范圍是：5～50V，而振動體裝置回收的電壓幅值粗略計算為4.2V，根據(jù)LTC3108芯片手冊推薦的變壓器，選擇LPR6235-253PMR變壓器，匝數(shù)比為1:20，升壓穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的4.1V電壓。能量回收電路系統(tǒng)如圖3，包括振動體回收的能量、LTC3108芯片典型應用電路和鋰電池充電保護系統(tǒng)。

圖3 能量回收電路系統(tǒng)

2.2 簡易鋰電池充電保護系統(tǒng)

LTC3108芯片輸出直接給低功耗設備供電或者經(jīng)由鋰電池充電保護系統(tǒng)給鋰電池充電。鋰電池充電保護系統(tǒng)由低功耗單片機MSP430和兩mos管組成，MSP430單片機的P1_0腳檢測鋰電池兩端電壓，P1_1腳控制mos管T2的通斷，間接控制mos管T3的開關(guān)狀態(tài)。利用MSP430單片機內(nèi)部自帶的AD每隔1秒采集一次鋰電池兩端的電壓值，將采集的信息與鋰電池滿電壓值4.2V作比較，當V檢測>4.2 V時，MSP430單片機間接控制MOS管T3截止(MOS管T3接在VOUT和鋰電池正極之間)，鋰電池充電停止；當V檢測<4.2V時，電路保持正常充電狀態(tài)。

3 整個能量回收流程

裝置能量回收的過程包括：外界振動激勵源的發(fā)生，電磁振動體裝置的拾振系統(tǒng)將外界振動轉(zhuǎn)化為電磁阻尼器的規(guī)則振動，電磁感應系統(tǒng)將振動能轉(zhuǎn)換成電能，收集的電壓經(jīng)過升壓穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換，最后穩(wěn)定的電壓輸出給各種儲能器件儲能或低功耗設備供電。

4 結(jié)束語

以往的振動能量回收研究基本是采集垂直方向的振動能，并且主要使用懸臂梁結(jié)合壓電陶瓷或磁鐵線圈的方式來收集豎直方向的振動能。國內(nèi)關(guān)于電磁振動能量回收的研究大多停留在理論仿真階段，而且已經(jīng)做出的實物均是微尺寸的，主要應用于人體運動過程或者人體呼吸等方面的能量回收。本文設計的電磁振動體裝置可以較好地采集水平方向振動能，電磁阻尼器的結(jié)構(gòu)簡單而實用，主要應用于高樓層的建筑物。由于選擇的能量回收電路可行優(yōu)良性，輸出的恒定電壓值，保證了回收能量供能的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。因此，裝置回收的電能可以有效地為鋰電池充電和低功耗設備供電。