基于自發(fā)電技術(shù)的微動能采集理論分析

李闖

(維瑯電氣有限公司,上海201114)

1 概述

全球變暖加劇,能源轉(zhuǎn)型壓力巨大,全世界都在尋求新能源解決方案,在經(jīng)濟高速發(fā)展的今天,我國在環(huán)境治理方面尤為重視,也在積極尋求能源方案。如風(fēng)能、太陽能光伏發(fā)電、水電和核能等已經(jīng)大范圍普及和應(yīng)用,習(xí)總書記說“綠水青山,就是金山銀山”,由此可見國家對環(huán)境治理的高度重視。自發(fā)電開關(guān)就是一種微動能采集技術(shù)的應(yīng)用,將機械能轉(zhuǎn)化為電能,不需要電池等其他外部電源供電,是一種非常好的技術(shù)應(yīng)用,在環(huán)保的同時也為客戶提供了便捷性。

1831 年,邁克爾·法拉第在實驗中發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,直至1865 年,麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組,這個方程組在理論上系統(tǒng)的描述了電場和磁場本質(zhì)關(guān)系,并可以描述所有關(guān)于電和磁的現(xiàn)象,從此人類打開了另一扇認(rèn)知世界的大門。發(fā)電機、電動機和無線信號傳輸?shù)葢?yīng)用都是基于電磁感應(yīng)原理,這些技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品對人們的影響越來越深遠(yuǎn)也越來越普及。

無線自發(fā)電技術(shù)源于德國,德國EnOcean GmbH 是無線能量采集技術(shù)的開創(chuàng)者,2012 年3 月,國際電工技術(shù)委員會(International Electrotechnical Commission) 將EnOcean 無線通信標(biāo)準(zhǔn)采納為國際標(biāo)準(zhǔn)“ISO/IEC 14543-3-10”,這也是世界上唯一使用能量采集技術(shù)的無線國際標(biāo)準(zhǔn)。

本文所研究的內(nèi)容通過參閱資料發(fā)現(xiàn)還沒有針對此類問題進行論述資料。本論文主要研究內(nèi)容是如何提高發(fā)電部分能效利用率,并通過分析和理論計算及實驗對比驗證。通信協(xié)議和應(yīng)用部分不在本文的研究范圍內(nèi)。無線自發(fā)電系統(tǒng)的主要工作原理是通過按鍵來控制磁鐵運動,磁鐵運動的過程中會引起線圈中磁場變化來,根據(jù)電磁感應(yīng)定律和麥克斯韋方程,變化的磁場產(chǎn)生電場,且磁場變化的越快,產(chǎn)生的電場越強。磁鐵的往復(fù)運動會在線圈兩端產(chǎn)生極性交替的電壓,線圈中的交流電通過全波整流濾波后得到直流電后經(jīng)過電容儲能,然后通過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后給系統(tǒng)供電。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

自發(fā)電開關(guān)的系統(tǒng)電路主要由以下4 個部分組成,我們這里主要研究①②③部分理論計算和電路設(shè)計。(圖1)

圖1 系統(tǒng)原理框圖

通過按壓按鍵,發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能,由于按壓的方向能導(dǎo)致發(fā)電的極性改變,所以必須加上整流電路,保證無論從哪個方向按下,最終的電流和電壓方向可以保證一樣,整流后的電路在經(jīng)過濾波和穩(wěn)壓處理,就可以給整個系統(tǒng)供電,單次按壓的發(fā)電量一般只能滿足系統(tǒng)工作幾十毫秒。

其中發(fā)電部分①②的主要電路原理如圖2 ,后續(xù)的理論分析和驗證主要以圖2 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為依據(jù)進行測試。

圖2 儲能電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

產(chǎn)品電路功能實現(xiàn)如圖3 所示,發(fā)電機按壓過程中產(chǎn)生的電流經(jīng)過4 個二極管搭建的整流橋。為了提高電能的利用率,減小整流過程中二極管對電能的熱損耗,我們這里二極管選用低壓降,小封裝的整流二極管,其中二極管壓降低至0.2V。為了提高電源轉(zhuǎn)換效率,直流穩(wěn)壓電路采用DCDC 原理,它是一個降壓電路,電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為BUCK 型,電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%。DCDC 電路與常用LDO 降壓電路相比有明顯的優(yōu)點,一般的LDO 降壓電路電源利用率低,很難滿足這種微功耗電路的應(yīng)用需要。系統(tǒng)中輸出電壓可調(diào),可以通過調(diào)節(jié)R1 和R2 的阻值來調(diào)整電路的直流輸出電壓,如果在后續(xù)的測試中需要調(diào)節(jié)電壓來降低系統(tǒng)功耗會變的非常簡單。目前設(shè)計的輸出電壓為直流3.3V。

圖3 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換電路

3 理論分析

本部分內(nèi)容主要分兩部分:第一部分是對實際電路的發(fā)電波形進行驗證,即理論上能夠擬合出實際的電路充放電效果圖,第二部分則對重放電電路進行定量計算,在特定條件下(發(fā)電機發(fā)電量恒定,系統(tǒng)供電電壓一定,本論文供電電壓設(shè)定為DC3.3V),調(diào)整電路系統(tǒng)的哪些參數(shù),且如何調(diào)整,此時電路系統(tǒng)的電能利用效率最高,工作最可靠。

3.1 電路充放電波形理論擬合

對發(fā)電機空載時的波形進行測試,按鍵按下或者彈回后的發(fā)電曲線,示波器抓取的波形圖如圖4,可以近似等效為周期4ms,幅度為25V 的正弦波半個周期,即:

圖4 發(fā)電機空載波形

如圖2,調(diào)整C1 和R1 參數(shù),使得電路充放電時間τ=R*C=1ms。根據(jù)電容充電放電公式:

因為電容在0-1ms 為充電狀態(tài),由于整流二極管的存在,電容電壓V0 達(dá)到最大值時二極管反向不會導(dǎo)通,正向也不會給電容再次充電,所以電容在1ms 以后為放電狀態(tài),所以整個過程采用分段函數(shù)的形式進行表達(dá),即系統(tǒng)在正常工作時,電容兩端的電壓表達(dá)式如下:

所以U(t)函數(shù)的理論圖形為圖5 所示。

圖5 儲能電容充放電理論波形

3.2 電源效率最大化理論計算

通過理論分析推導(dǎo),確定系統(tǒng)中是否有最優(yōu)參數(shù),可以使發(fā)電機的電能使用效率最高,即滿足一定電壓的情況下,放電時間最長(系統(tǒng)工作時間最長),這樣可以讓發(fā)射系統(tǒng)更穩(wěn)定的工作。

下面我們可以通過基本公式進行分析:

瞬時功率為P=UI,則總功率為W=UIt,其中It 積分后為電容的電量Q

圖6 為電容的放電曲線,自發(fā)電系統(tǒng)需要確定一個電容最佳參數(shù),當(dāng)電壓U(t)大于V0 時,放電時間t 最大,理想情況下發(fā)電線圈量為W,且全部被電容存儲。

圖6 電容放電曲線

根據(jù)圖7t=τ(lnV-ln(t))的函數(shù)圖形可知,此函數(shù)確實存在最大值,即一階導(dǎo)數(shù)為零時,t 有最大值,由此算出C 的值就是最優(yōu)的參數(shù)。

圖7 t=τ(lnv-lnu(t))函數(shù)曲線

將公式(6)帶入t=τ(lnv-lnu(t))公式得出:

當(dāng)W=200μJ,U(t)=3.3V,求出則C=13.5μF,此結(jié)果和函數(shù)圖7 曲線相吻合。

通過上述理論分析得出,發(fā)電機發(fā)電能效的利用效率和負(fù)載阻抗大小沒有關(guān)系,只與系統(tǒng)發(fā)電機發(fā)電量、系統(tǒng)最低工作電壓和儲能電容大小有關(guān)。如果發(fā)電機發(fā)電量和系統(tǒng)最低工作電壓這兩個參數(shù)是已知量,那么我們就可以通過上述公式求出最佳的電容值,然后通過實際測試進行確認(rèn)。

4 實測驗證

4.1 電路充放電波形

根據(jù)4.1 的計算和推倒,調(diào)整電路參數(shù),用示波器抓取電路儲能電容兩端的電壓波形,測試結(jié)果如圖8,理論(上)和實際波形(下)比較接近。

圖8 儲能電容兩端波形對比

4.2 電容參數(shù)有效性驗證

按照圖2 的原理進行驗證,其中電容封裝微0805,時間t 是在圖2 的基礎(chǔ)上測試完成,見表1。

表1 電容參數(shù)測試表格

測試結(jié)果生成:

將電容放電時間通過表格生成曲線圖,圖9。

圖9 放電時間統(tǒng)計

因為大容值的電容誤差在10%左右,且有一定的漏電,測試結(jié)果不能完全和理論符合,但是應(yīng)該在理論值附近,根據(jù)上述測試結(jié)果,可以看出電容值在12～17μF,電壓高于3. 3 的放電時間最長,約60ms,與理論結(jié)果13.5μF 一致。

5 結(jié)論

本文對微功耗能量采集方面的設(shè)計具有理論和實際指導(dǎo)意義,能夠快速的解決實際設(shè)計中遇到的問題,減少大量的調(diào)試測試工作。提高系統(tǒng)的可靠性可以從很多方面來解決,本文的結(jié)論只是一個方面,在文中我們可以看到,提高發(fā)電機發(fā)電量,降低系統(tǒng)最小工作電壓,這些都是解決思路和方向,且在實際應(yīng)用中切實可行。

全球每年遙控器使用量巨大,電視機、空調(diào)、汽車等,每年更換電池會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,希望我們的分析和結(jié)論能夠?qū)ζ渌⒐漠a(chǎn)品有所幫助,能夠使更多的產(chǎn)品延長電池的使用壽命,減少電池更換頻率或者不使用電池,使用其它的清潔能源(如太陽能、風(fēng)能等)來達(dá)到同樣的效果。