基于閉合回路電磁式的汽車振動能量收集裝置研究與優化

(長安大學汽車學院 陜西 西安 710064)

一、概論

(一)研究背景及目的

汽車的節能問題已備受各國關注。汽車懸架能夠消耗相當多的發動機輸出能量，尤其是車輛在忐忑路面上行駛時，懸架大概消耗發動機輸出能量的20%～40%[1]，為此回收這部分能量具有很高的價值。

吉林大學使用CARSIM軟件對車輛減振器消耗能量情況做過仿真試驗，結果顯示，發動機輸出的能量中被減震器消耗的比重較大，而且道路越忐忑不平、車輛速度越大，減振器越能消耗更多的能量。對汽車振動能量的高效回收，具有實際意義，這將成為日后的一個重要研究方向。

(二)研究現狀

自1970年末，研究學者就開始分析回收車輛振動能量的可行性及實際意義。加利福尼亞大學戴維斯分校的研究人員在對車輛懸架系統耗能的研究中，指出帶有能量回收裝置的系統可減少整車驅動功率。Tudor等人深入研究了如何采集振動能量，并制作了振動型磁式振動能量收集裝置。車輛在時速25公里時，經過為時三分鐘的實驗，該裝置能夠產生17W的平均功率[2]。

二、設計方案

汽車振動能量回收裝置一般包括拾振機構，電磁轉換系統，電路部分三個部分。

其中彈簧質量振子是整個拾振機構的核心部分，它能夠將外界的振動能量轉換為自身的機械能。本文采用彈簧質量振子式對該機構進行設計研究。

拾振機構是發電裝置的核心，該機構是將外界振動能轉換為內部機械能的關鍵，與減震彈簧采用并聯式安裝。相關研究發現，合理的布置該機構能夠大幅度提高發電效率，優化磁場，產生更強的感應電壓[3]。

電磁轉換系統通過接收拾振機構收集的振動能，經過整流電路、儲能電路進一步轉化為電能并儲存。本文采用分塊設計，逐一檢查，功能驗證，實現整合的步驟進行工作。

在磁場布置方面本文采用永磁體和磁性單元雙模塊。永磁體模塊和磁性單元模塊可以有效的模擬磁場，振動信號可以用信號源模塊進行模擬。變化的磁通量通過磁通傳感器輸入到線圈，而且磁通傳感器可以測出磁場中不同位置的磁感強度。引用電阻模塊當做外接負載并與線圈構成一個閉合回路。非線性變化的磁場力以及變剛度彈簧彈力得引入能夠使該結構成為雙穩態結構[4]。

(一)拾振機構設計

圖1 裝置工作圖

1.當左右磁輒的齒頂和永磁體下面的下銜鐵正對時，此時前后磁輒的齒底與該銜鐵也相對；當左右磁輒的齒底和永磁體上面的上銜鐵正對時，此時前后磁輒的齒頂與該銜鐵也相對，此時磁感線形成一個閉合的回路。

2.質量振子向上運動時，當左右磁輒的齒底與永磁體下方的下銜鐵相對面積小于齒頂與下銜鐵的相對面積時，磁感線由磁體N極出發，大部分的磁感線先通過上銜鐵與氣隙后通往前后磁輒，然后依次通過頂輒與左右磁軛、氣隙與下銜鐵，最后回到永磁體的S極；少部分磁感線從上銜鐵穿過氣隙，然后通過四片磁輒、氣隙、下銜鐵，最后回到永磁體的S極。此時與1)中情況相比通過線圈支架的磁通量變小了。

3.質量振子繼續向上運動，當左右磁輒的齒底與永磁體下方的下銜鐵相對面積等于齒頂與下銜鐵的相對面積時，磁感線由永磁體N極出發，穿過上銜鐵，然后通過氣隙分別傳往四片磁輒，因為左右對稱性的關系，向上去的那部分磁感線互相抵消。經磁軛向下的磁感線，先后經過磁軛與下銜鐵，最后回到永磁體的S極。

4.當質量振子繼續向上運動時，當左右磁輒的齒底與永磁體下方的下銜鐵相對面積大于齒頂與下銜鐵的相對面積時。磁感線由永磁體N極出發，絕大多數的磁感線先后通過上銜鐵與氣隙，然后經四片磁輒、氣隙、下銜鐵，最后回到永磁體的S極。還有少部分磁感線通過上銜鐵與氣隙、然后經左右磁輒、頂輒、前后磁輒、氣隙、下銜鐵，最后回到永磁體的S極。此情況下通過線圈支架的磁通方向與2)情形正好相反。

5.振子繼續向上振動，當左右磁軛的齒底和永磁體下方的下銜鐵正對時，磁感線從N極出發，依次通過永磁體上方的上銜鐵、氣隙、左右磁輒和頂軛、前后磁輒、氣隙和永磁體下面的下銜鐵回到永磁體的S極，形成閉合回路。此時的磁力線走勢跟情形1)正好相反。

(二)電磁部分設計

電磁式能量收集器依據法拉第電磁感應定律為工作原理，簡而言之，該收集器將收集到的外界振動能通過轉化變為電能。因此，能量收集系統和能量轉化系統是該收集器的核心部分。

(三)電路部分設計

1.整流濾波電路

感應電動勢在能量收集裝置中呈非周期性的變化，因此需做整流處理。本文采用全橋式整流濾波電路，電路圖如圖2.2所示。

由于二極管具有單向導通的特點，因此可以利用該特性把產生的交流電轉變為脈動的直流電。該電路它由四個兩兩對接的二極管組成，此外該電路還能保證電流的方向不發生改變。

圖2 全橋整流濾波電路

由圖可知，該電路保證電流方向不發生改變，并把交流電的正負半周期加以充分利用，因此效率較高。雖然交流電經整流電路處理變為直流電，但此時的直流電存在較大脈動，因此還需要增加濾波電路做進一步的處理。

電感線圈中的電流會隨著振動發電源輸出電壓的增大而升高，由電感線圈的特性，其會產生相反方向的感應電動勢以使其中的電流逐漸變小，并且將一部分的能量儲存在電感中；相反，當振動發電源的輸出電壓減小時，電感中能夠產生與原來電流方向相同的電流以阻止原電流的進一步減小。因此本文釆用電容濾波。

2.電感儲能電路設計

電感儲能的基本電路包括充電電源U、儲能電感L1、轉換開關J、負載R，電路及開關狀態如下圖所示。

圖3 電感儲能的基本電路(左)及開關時序狀態(右)

充電時，開關J1接通電源，J2斷開。儲能時，開關J1斷開，J2閉合，J3斷開，電感L1與J2形成一個閉合的回路。

三、相關數據及計算

(一)電感儲能數據分析

輸入端u1i(t)可近似為正弦函數u1i(t)=Umsin(ωt+θ)。實驗所測信號u1i(t)中的f=57.83Hz，Um=5.5V，則[5]：

(3-1)

電壓有效值：

(3-2)

輸入端u1i(t)近似為：u1i(t)=5.5sin(363.17t+θ)因實驗選擇電感L1=2.2mH，得電感感抗：

XL=ωL=2πfL=363.17×2.2×10-3=0.798Ω

(3-3)

則電感感抗可以忽略不計。

假設t0到t1時刻電路對儲能電感L1充電，則電感L1在從初始時刻t0到t1時間內得到的能量為:

式中：W為電能；L1為線圈電感。

圖4 電壓的半波儲存電路

電磁式振動能量采集裝置測得輸出電壓u1i(t)=5.5sin(363.17t+θ),f1=57.83Hz，輸出電壓的頻率f2=6.845Hz,U2m=500mV則ω2=2πf2=2π×6.845=42.98輸入端u2i(t)近似為：u2i(t)=0.5sin(42.98t+θ)。

(二)DC-DC變換電路數據計算

經過電感和電容儲能后，輸出電壓范圍在2V左右，再利用DC-DC變換調節器，使電壓升高至4.7V輸出。DC-DC變換器又稱直流斬波器，它能夠利用調節控制開關將持續的直流電壓轉換為另一種可調或固定的直流電壓，來獲得所需要的電壓[6]。本設計采用Sipce公司SP6644芯片組成DC-DC變換器。下圖為DC-DC變換器電路設計圖。

圖5 DC-DC變換電路圖

電感L3的充電時間：

(3-5)

式中：VOUT為芯片SP6644輸出電壓，VBATT為芯片SP6644的1引腳電壓。電路的最大負載電流:

(3-6)

式中，效率系數E一般為0.8～0.9.

四、裝置的創新點

(一)電磁部分先進性

1.注重構成閉合磁路，能夠把磁能最大效率的利用，可以大幅度提升能量的轉化效率；

2.對于低頻率振動的情況，加入了多齒結構，可以讓振子在一次的振動中使磁場發生多次的交變，大幅度的提升了感應電動勢和發電功率[7]。

3.振子的運動范圍被裝置磁軛的多齒結構所形成的磁場所限制，所以無需安裝額外的彈簧或者永磁體來限制其位置，此舉不但可以保護振子免受碰撞，還可以簡化結構和組裝。

(二)儲能電路的先進性

1.蓄電池與超級電容器可以完成組合，讓二者優點得以互補，以變成一個完美的儲能系統。

2.超級電容是一種新型的儲能裝置。與普通電容相比，超級電容具有體積小巧、容量大的優點。另外和充電電池相比該超級電容又存在充電速度快、循環使用壽命長等優點；與充電電池完全不同的充電電路使得充放電線路簡單、安全系數較高、維護周期較長。

五、應用及展望

本文所設計的振動能量收集裝置在低頻振動環境下仍能正常工作并完成發電，大幅度的拓寬了該裝置的應用領域。除了在汽車方面，也可以應用到其他方面：在日常的行走中完成振動能量收集、搖擺的樹枝振動發電、海洋漂流發電等來對無線傳感器網絡節點、野外儀器等充電[8]；因此對于此類裝置的進一步深入研究具有較為重要的意義。

研究如何降低電路電能的損耗，提高電路的穩定性，提高電路的轉換效率，設計出高效的能量收集及存儲電路；進一步提髙電能轉移與存儲效率；以上方面需仍需深入研究并加以完善。

【參考文獻】

[1]James E.P.Tudor M.J.Beeby S.P.etc,An investigation of self-powered systems for condition monitoring applications[J].Sensors and Actuators A,2004,110(1-3):171～176

[2]Beeby S.P.Tudor M.J.Koukharenko E.etc.Design and performance of a microelectromagnetic vibration powered generator[C].The 13th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems,Korea,Seoul,2005

[3]朱沛.變剛度雙穩態電磁式振動發電機的研究[J].太原理工大學.2013

[5]G.A.Lesieutre,G.K.Ottman,H.F.Hofmann.Damping as a Result of PiezoelectricEnergy Harvesting[J].Journal of Sound Vibration,2004,269(3):991-1001.

[7]賈起民，鄭永令.電磁學[M].北京：華高等教育出版社，2001.1.

[8]嚴宇才.一種微型電磁式振動能量收集器的設計與研究[J]浙江工業大學，2013