基于闭合回路电磁式的汽车振动能量收集装置研究与优化

(长安大学汽车学院 陕西 西安 710064)

一、概论

(一)研究背景及目的

汽车的节能问题已备受各国关注。汽车悬架能够消耗相当多的发动机输出能量，尤其是车辆在忐忑路面上行驶时，悬架大概消耗发动机输出能量的20%～40%[1]，为此回收这部分能量具有很高的价值。

吉林大学使用CARSIM软件对车辆减振器消耗能量情况做过仿真试验，结果显示，发动机输出的能量中被减震器消耗的比重较大，而且道路越忐忑不平、车辆速度越大，减振器越能消耗更多的能量。对汽车振动能量的高效回收，具有实际意义，这将成为日后的一个重要研究方向。

(二)研究现状

自1970年末，研究学者就开始分析回收车辆振动能量的可行性及实际意义。加利福尼亚大学戴维斯分校的研究人员在对车辆悬架系统耗能的研究中，指出带有能量回收装置的系统可减少整车驱动功率。Tudor等人深入研究了如何采集振动能量，并制作了振动型磁式振动能量收集装置。车辆在时速25公里时，经过为时三分钟的实验，该装置能够产生17W的平均功率[2]。

二、设计方案

汽车振动能量回收装置一般包括拾振机构，电磁转换系统，电路部分三个部分。

其中弹簧质量振子是整个拾振机构的核心部分，它能够将外界的振动能量转换为自身的机械能。本文采用弹簧质量振子式对该机构进行设计研究。

拾振机构是发电装置的核心，该机构是将外界振动能转换为内部机械能的关键，与减震弹簧采用并联式安装。相关研究发现，合理的布置该机构能够大幅度提高发电效率，优化磁场，产生更强的感应电压[3]。

电磁转换系统通过接收拾振机构收集的振动能，经过整流电路、储能电路进一步转化为电能并储存。本文采用分块设计，逐一检查，功能验证，实现整合的步骤进行工作。

在磁场布置方面本文采用永磁体和磁性单元双模块。永磁体模块和磁性单元模块可以有效的模拟磁场，振动信号可以用信号源模块进行模拟。变化的磁通量通过磁通传感器输入到线圈，而且磁通传感器可以测出磁场中不同位置的磁感强度。引用电阻模块当做外接负载并与线圈构成一个闭合回路。非线性变化的磁场力以及变刚度弹簧弹力得引入能够使该结构成为双稳态结构[4]。

(一)拾振机构设计

图1 装置工作图

1.当左右磁辄的齿顶和永磁体下面的下衔铁正对时，此时前后磁辄的齿底与该衔铁也相对；当左右磁辄的齿底和永磁体上面的上衔铁正对时，此时前后磁辄的齿顶与该衔铁也相对，此时磁感线形成一个闭合的回路。

2.质量振子向上运动时，当左右磁辄的齿底与永磁体下方的下衔铁相对面积小于齿顶与下衔铁的相对面积时，磁感线由磁体N极出发，大部分的磁感线先通过上衔铁与气隙后通往前后磁辄，然后依次通过顶辄与左右磁轭、气隙与下衔铁，最后回到永磁体的S极；少部分磁感线从上衔铁穿过气隙，然后通过四片磁辄、气隙、下衔铁，最后回到永磁体的S极。此时与1)中情况相比通过线圈支架的磁通量变小了。

3.质量振子继续向上运动，当左右磁辄的齿底与永磁体下方的下衔铁相对面积等于齿顶与下衔铁的相对面积时，磁感线由永磁体N极出发，穿过上衔铁，然后通过气隙分别传往四片磁辄，因为左右对称性的关系，向上去的那部分磁感线互相抵消。经磁轭向下的磁感线，先后经过磁轭与下衔铁，最后回到永磁体的S极。

4.当质量振子继续向上运动时，当左右磁辄的齿底与永磁体下方的下衔铁相对面积大于齿顶与下衔铁的相对面积时。磁感线由永磁体N极出发，绝大多数的磁感线先后通过上衔铁与气隙，然后经四片磁辄、气隙、下衔铁，最后回到永磁体的S极。还有少部分磁感线通过上衔铁与气隙、然后经左右磁辄、顶辄、前后磁辄、气隙、下衔铁，最后回到永磁体的S极。此情况下通过线圈支架的磁通方向与2)情形正好相反。

5.振子继续向上振动，当左右磁轭的齿底和永磁体下方的下衔铁正对时，磁感线从N极出发，依次通过永磁体上方的上衔铁、气隙、左右磁辄和顶轭、前后磁辄、气隙和永磁体下面的下衔铁回到永磁体的S极，形成闭合回路。此时的磁力线走势跟情形1)正好相反。

(二)电磁部分设计

电磁式能量收集器依据法拉第电磁感应定律为工作原理，简而言之，该收集器将收集到的外界振动能通过转化变为电能。因此，能量收集系统和能量转化系统是该收集器的核心部分。

(三)电路部分设计

1.整流滤波电路

感应电动势在能量收集装置中呈非周期性的变化，因此需做整流处理。本文采用全桥式整流滤波电路，电路图如图2.2所示。

由于二极管具有单向导通的特点，因此可以利用该特性把产生的交流电转变为脉动的直流电。该电路它由四个两两对接的二极管组成，此外该电路还能保证电流的方向不发生改变。

图2 全桥整流滤波电路

由图可知，该电路保证电流方向不发生改变，并把交流电的正负半周期加以充分利用，因此效率较高。虽然交流电经整流电路处理变为直流电，但此时的直流电存在较大脉动，因此还需要增加滤波电路做进一步的处理。

电感线圈中的电流会随着振动发电源输出电压的增大而升高，由电感线圈的特性，其会产生相反方向的感应电动势以使其中的电流逐渐变小，并且将一部分的能量储存在电感中；相反，当振动发电源的输出电压减小时，电感中能够产生与原来电流方向相同的电流以阻止原电流的进一步减小。因此本文釆用电容滤波。

2.电感储能电路设计

电感储能的基本电路包括充电电源U、储能电感L1、转换开关J、负载R，电路及开关状态如下图所示。

图3 电感储能的基本电路(左)及开关时序状态(右)

充电时，开关J1接通电源，J2断开。储能时，开关J1断开，J2闭合，J3断开，电感L1与J2形成一个闭合的回路。

三、相关数据及计算

(一)电感储能数据分析

输入端u1i(t)可近似为正弦函数u1i(t)=Umsin(ωt+θ)。实验所测信号u1i(t)中的f=57.83Hz，Um=5.5V，则[5]：

(3-1)

电压有效值：

(3-2)

输入端u1i(t)近似为：u1i(t)=5.5sin(363.17t+θ)因实验选择电感L1=2.2mH，得电感感抗：

XL=ωL=2πfL=363.17×2.2×10-3=0.798Ω

(3-3)

则电感感抗可以忽略不计。

假设t0到t1时刻电路对储能电感L1充电，则电感L1在从初始时刻t0到t1时间内得到的能量为:

式中：W为电能；L1为线圈电感。

图4 电压的半波储存电路

电磁式振动能量采集装置测得输出电压u1i(t)=5.5sin(363.17t+θ),f1=57.83Hz，输出电压的频率f2=6.845Hz,U2m=500mV则ω2=2πf2=2π×6.845=42.98输入端u2i(t)近似为：u2i(t)=0.5sin(42.98t+θ)。

(二)DC-DC变换电路数据计算

经过电感和电容储能后，输出电压范围在2V左右，再利用DC-DC变换调节器，使电压升高至4.7V输出。DC-DC变换器又称直流斩波器，它能够利用调节控制开关将持续的直流电压转换为另一种可调或固定的直流电压，来获得所需要的电压[6]。本设计采用Sipce公司SP6644芯片组成DC-DC变换器。下图为DC-DC变换器电路设计图。

图5 DC-DC变换电路图

电感L3的充电时间：

(3-5)

式中：VOUT为芯片SP6644输出电压，VBATT为芯片SP6644的1引脚电压。电路的最大负载电流:

(3-6)

式中，效率系数E一般为0.8～0.9.

四、装置的创新点

(一)电磁部分先进性

1.注重构成闭合磁路，能够把磁能最大效率的利用，可以大幅度提升能量的转化效率；

2.对于低频率振动的情况，加入了多齿结构，可以让振子在一次的振动中使磁场发生多次的交变，大幅度的提升了感应电动势和发电功率[7]。

3.振子的运动范围被装置磁轭的多齿结构所形成的磁场所限制，所以无需安装额外的弹簧或者永磁体来限制其位置，此举不但可以保护振子免受碰撞，还可以简化结构和组装。

(二)储能电路的先进性

1.蓄电池与超级电容器可以完成组合，让二者优点得以互补，以变成一个完美的储能系统。

2.超级电容是一种新型的储能装置。与普通电容相比，超级电容具有体积小巧、容量大的优点。另外和充电电池相比该超级电容又存在充电速度快、循环使用寿命长等优点；与充电电池完全不同的充电电路使得充放电线路简单、安全系数较高、维护周期较长。

五、应用及展望

本文所设计的振动能量收集装置在低频振动环境下仍能正常工作并完成发电，大幅度的拓宽了该装置的应用领域。除了在汽车方面，也可以应用到其他方面：在日常的行走中完成振动能量收集、摇摆的树枝振动发电、海洋漂流发电等来对无线传感器网络节点、野外仪器等充电[8]；因此对于此类装置的进一步深入研究具有较为重要的意义。

研究如何降低电路电能的损耗，提高电路的稳定性，提高电路的转换效率，设计出高效的能量收集及存储电路；进一步提髙电能转移与存储效率；以上方面需仍需深入研究并加以完善。

【参考文献】

[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.变刚度双稳态电磁式振动发电机的研究[J].太原理工大学.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]贾起民，郑永令.电磁学[M].北京：华高等教育出版社，2001.1.

[8]严宇才.一种微型电磁式振动能量收集器的设计与研究[J]浙江工业大学，2013