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

隨著科學技術的發展，無線傳感器網絡系統得到廣泛地應用，然而其供電問題正日益凸顯。一般的，我們使用傳統電化學電池為大量的無線傳感器節點供電，然而電化學電池存在著使用壽命短和電池化學物污染環境等缺點。因此，為無線傳感器節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，是一類持續穩定的資源。

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，所以需要經過能量回收電路變換后才能被高效穩定地利用。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，最后選擇性能優良的TLC3108能量轉換芯片，設計了簡易鋰電池充電保護系統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相同，質量塊將會左右對稱運動，質量塊運動過程中引起電磁感應系統中螺線圈的磁通量變化，線圈將會產生感應電動勢。質量塊的重量為m，彈簧的彈性系數為k，電磁感應系統的電磁阻尼為ce。由牛頓第二定律可以推導出質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

根據該數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，最后構成了電磁式振動體裝置。裝置實驗過程中產生的電壓曲線如圖2所示。

圖2 實驗中裝置產生的電壓曲線

2 能量回收電路系統的設計

2.1 升壓穩壓電路設計

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，穩壓二極管穩壓或集成芯片輸出穩定電壓。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，優先選擇升壓穩壓集成芯片。

LTC3108升壓穩壓芯片是一款專為能量回收應用設計的低功耗集成芯片，內部含有全波整流器，輸出一個可調的穩定電壓。當外界振動能量不能持續提供時，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LTC3108芯片手冊推薦的變壓器，選擇LPR6235-253PMR變壓器，匝數比為1:20，升壓穩壓電路輸出穩定的4.1V電壓。能量回收電路系統如圖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。

圖3 能量回收電路系統

2.2 簡易鋰電池充電保護系統

LTC3108芯片輸出直接給低功耗設備供電或者經由鋰電池充電保護系統給鋰電池充電。鋰電池充電保護系統由低功耗單片機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的開關狀態。利用MSP430單片機內部自帶的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。

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生，電磁振動體裝置的拾振系統將外界振動轉化為電磁阻尼器的規則振動，電磁感應系統將振動能轉換成電能，收集的電壓經過升壓穩壓電路轉換，最后穩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。國內關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，電磁阻尼器的結構簡單而實用，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良性，輸出的恒定電壓值，保證了回收能量供能的穩定性和可持續性。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。