基于雙穩態的軌道列車能量收集器設計與實現

劉夢洲，付海嶺，張 媛，秦 勇，丁 奧

(1．北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044；

2．拉夫堡大學 沃爾夫森機械、電氣和制造工程學院，萊斯特郡LE113TU；

3．北京印刷學院 機電工程學院，北京102600)

鐵路承載著大多數人們的生活出行，保持鐵路網安全、高效、準時運行以及列車運輸過程的安全和設備后期的維護非常重要。根據文獻[1]，北京地鐵從2014年到2018年的405起故障中，有114起是由于車輛故障引起的。無線傳感器和低功耗電子設備的出現與發展為持續性監控軌道列車和鐵路基礎設施提供了良好的解決方案。但是，列車車體上無線傳感器的可靠電源、數據安全和整體數據可靠性等問題仍然是大規模實現監控的障礙，這使得現代智能技術將無法應用于提高軌道車輛的運營安全和效率。

近年來，許多研究者試圖從振動與運動中獲取能量，從而實現對無線傳感器的自供電。4種主要的能量獲取機制包括靜電[2-3]、壓電[4-5]、摩擦電[6-7]和電磁轉換[8-9]，這些能量獲取機制已經被研究并應用到許多設備中，如智能汽車、智能可穿戴設備、波浪能發電和健康監測設備等[10-11]。

對于軌道列車，學術界已經提出了一系列車載能量收集解決方案。Perpetuum 公司設計、生產并商業化了世界上第1臺用于軌道狀態監測的振動能量收集器，并且在2011年宣稱研制出的PMG17振動發電機組可用于列車軸承狀態監測[12]。文獻[13]針對貨運列車的定位和監控問題，設計了一種安裝在轉向架懸掛系統上的、基于機械運動校正機制的振動能量收集器。文獻[14]針對鐵路貨車車載安全監測問題，分析了大秦線貨運列車車載安全監測的用電需求，提出了基于懸臂梁結構的寬帶低頻壓電能量收集器，并進行了裝置制備和試驗研究。文獻[15]設計并測試了3種類型的基于機械的電磁軌道車懸架能量收集器，包括1種線性運動能量收集器，其磁體在線圈內隨列車懸架線性移動；2種基于滾珠絲杠的旋轉電磁能量收集器，能量收集器帶有2個定制的行星齒輪箱，將懸架的雙向線性運動轉換為發電機的雙向旋轉[16]或單向旋轉。文獻[17]開發了一種具有耦合振動模式的非線性能量收集器，從而實現寬帶寬上能量的利用，并且對能量收集器性能在類似于實際操作條件下進行了檢查。盡管上述文獻提出了各種設計和裝置，但是在裝置小型化和寬帶寬的能量利用上仍然面臨許多挑戰。本文針對這2個問題，設計一款厘米級能量收集器，以實現寬帶寬上的能量有效收集。

1 結構設計與運行原理

1.1 軌道列車信號分析

為了設計一款符合實際應用條件的電磁能量收集器，對北京地鐵9號線地鐵列車上設備的振動信號進行了收集與分析，其中收集到的轉向架振動信號較為明顯，見圖1。圖1(a)為北京地鐵9號線地鐵列車轉向架上的原始振動信號，圖1(b)和圖1(c)為選取其中一段進行頻譜分析與小波變換的結果，可以看到其主要振動頻率集中在28～50Hz之間，振幅小于2g。

1.2 整體系統框架

根據對上述地鐵列車轉向架振動信號的分析，提出并設計一種基于雙穩態電磁能量收集器的自供電智能感知系統，包括能量收集器模塊、能量管理電路模塊、低功耗傳感器模塊以及無線數據收發裝置，如圖2所示。下面主要對能量收集器模塊和能量管理電路模塊進行詳細介紹。

1．2．1雙穩態電磁能量收集器

根據對實際數據特征的分析，設計了一種結構簡單緊湊的雙穩態電磁能量收集器(圖3)。如圖3 所示，2個磁鐵固定在套筒的兩端，1個可移動的磁鐵放在套筒里，固定磁鐵與動磁鐵之間的相互作用力為磁力。使用限制彈簧阻止動磁鐵粘在固定磁鐵上，為動磁鐵在管內振蕩提供彈簧恢復力。2組線圈放置在套筒外靠近穩定位置處，最大化磁通量變化速率。套筒上有孔，以減少動磁鐵振動時的空氣阻尼。

圖1 北京地鐵9號線地鐵列車轉向架部分振動數據

圖2 基于雙穩態電磁能量收集器的自供電智能感知系統的基本組成

圖3 雙穩態電磁能量收集器設計示意與構成

作用在動磁鐵上的彈簧恢復力和磁力之間的關系如圖4所示。在動磁鐵與彈簧接觸之前，只有磁力作用，將動磁鐵驅動到套筒的任一端。當動磁鐵壓縮限制彈簧時，彈簧恢復力急劇增加，超過磁力。這種磁鐵彈簧結構在套筒的兩側形成了2個穩定的位置，從而在運動中形成雙穩態。

圖4 作用在動磁鐵上的彈簧恢復力和磁力的相互關系

能量收集器的試驗原型與測試平臺如圖5所示，使用33600A 系列信號發生器和CT5871型功率放大器對JZK-2型激振器進行驅動，裝置通過定制的夾具固定在激振器上。能量收集器整體尺寸為15 mm×50mm，通過連接在裝置上的加速度傳感器來獲取施加在裝置上的加速度。在不同的操作條件下對能量收集器進行了測試。

圖5 能量收集器試驗原型與測試平臺

1．2．2能量管理電路

由于上述能量收集器產生的電壓是交流電，所以在進行能量管理前需要進行AC-DC 變換。如圖6所示，原型機中使用4個肖特基二極管構成的全橋整流電路進行AC-DC 轉換，輸出的電壓經過能量管理電路模塊對能量進行儲能與穩壓，最后輸出至低功耗傳感器與無線數據收發裝置。此能量管理電路模塊的欠壓閾值為2V，能量存儲模塊電容電壓Vstor最高可升至4.2V，輸出端輸出電壓穩定在3.3V。

圖6 能量管理電路模塊

2 試驗

2.1 能量管理電路模塊充放電試驗結果

對整體電路進行試驗觀察，使用型號為1N5817的肖特基二極管搭建全橋整流電路，能量管理電路模塊中的能量存儲使用2200μF電容，輸出端用100kΩ電阻進行模擬負載。

圖7為能量管理電路模塊的充放電試驗結果圖，其中外部激勵的頻率為30 Hz，幅值為7g，紅色為電容電壓Vstor，藍色為輸出電壓。從圖7(a)可以看到：Vstor從2V 上升到3.3V 共需要24s，從2V 上升到4.2V 共需要48s左右，其充電功率約為0.31 mW。從圖7(b)可以看到：Vstor在負載為100kΩ 電阻的條件下，電壓從最高點4.2V 降到3.3V 共需要70s，再經過126s電壓則下降至2V，輸出端輸出電壓為0V，能量管理芯片停止工作。

2.2 不同摩擦力下能量收集器的性能差異

當動磁鐵在套筒內部上下滑動時，由于摩擦力的存在對動磁鐵的速度產生了一定的影響，這里對不同摩擦力下的能量收集器進行了掃頻，觀察摩擦力對系統帶寬與輸出電壓的影響。

由于脂基的磁流體具有不易揮發特性，這里使用脂基的磁流體來減小套筒和動磁鐵之間的摩擦力。將少量的磁流體附著在動磁鐵上，振動一段時間后磁流體會自動覆蓋動磁鐵的表面，從而減少運動時產生的摩擦力。圖8為幅值6g、頻率10～90Hz的外部激勵下，不同摩擦力下能量收集器掃頻輸出電壓結果。藍色為正向掃頻下的輸出電壓，黃色為反向掃頻下的輸出電壓。

圖7 能量管理電路模塊的充放電試驗結果圖

圖8 不同摩擦力下能量收集器掃頻輸出電壓

從圖8可以看出，當摩擦力較大時(圖8(a))，可獲得一個較寬的工作頻率范圍，但電壓較低：正向掃頻下的工作帶寬為18～40 Hz，輸出電壓為1.3～3 V；反向掃頻下的工作帶寬為15～32 Hz，輸出電壓為1～2.2V。當摩擦力較小時(圖8(b))，可獲得的工作頻率較窄，但輸出電壓較高：正向掃頻下的工作帶寬為15～25Hz，輸出電壓為2.5～4V；反向掃頻下的工作帶寬為17～26 Hz，輸出電壓為2.3～3.7V。

3 總結與展望

本文設計并實現了一種針對軌道列車振動的雙穩態能量收集裝置。利用吸引的磁場力和限制彈簧構成的雙穩態結構，收集來自軌道列車帶寬的振動能量。首先，分析了實際軌道列車運行的數據以確定能量收集器工作的振動頻帶與強度，設計了相匹配的能量收集器。其次，展示了頻率30 Hz、幅值7g的外部激勵下能量收集器與能量管理電路模塊集成的電能輸出效果，其充電功率約為0.31 mW；探討了摩擦力對裝置的帶寬和輸出電壓范圍的影響，利用磁流體減少摩擦力可以增大輸出電壓，但是減小了能量收集的帶寬。本研究的未來工作包括減小輸入激勵幅度要求，以便能量收集器能在實際軌道列車運行的振動下進行工作。其中，減小摩擦力可以減少一定的外部激勵需求，除此之外，減小磁場吸引力可能也是一個潛在方案，這一思路將在未來工作中進行探究。