电磁式振动能量回收的研究

卢涛

(长江大学，湖北荆州，434023)

0 引言

随着科学技术的发展，无线传感器网络系统得到广泛地应用，然而其供电问题正日益凸显。一般的，我们使用传统电化学电池为大量的无线传感器节点供电，然而电化学电池存在着使用寿命短和电池化学物污染环境等缺点。因此，为无线传感器节点探索一种新的供电方式是十分有意义的。大自然中的振动能源丰富，是一类持续稳定的资源。

收集能量的方式多种多样，其工作方式主要有三种：压电式、静电式和电磁式。综合分析后，选择电磁式能量收集方式来回收环境中的振动能。因为电磁式振动能量采集器回收得到的电压是交变的波动信号，所以需要经过能量回收电路变换后才能被高效稳定地利用。通常，能量回收电路包括升压电路、整流电路和DC-DC变换电路等。通过分析电磁式振动体装置回收电压的特点，最后选择性能优良的TLC3108能量转换芯片，设计了简易锂电池充电保护系统用于保护锂电池的充电安全。

1 电磁式振动体模型的分析

如图1所示为基于电磁阻尼的能量回收物理模型，它由质量块(永磁体)、螺旋线圈、无磁滑杆和弹簧组成。当整体受到外界水平振动激励时，由于两根弹簧的弹性系数相同，质量块将会左右对称运动，质量块运动过程中引起电磁感应系统中螺线圈的磁通量变化，线圈将会产生感应电动势。质量块的重量为m，弹簧的弹性系数为k，电磁感应系统的电磁阻尼为ce。由牛顿第二定律可以推导出质量块的运动方程如下：

图1 基于电磁阻尼的能量回收物理模型

根据该数学模型研制出电磁阻尼器，并在此基础上制作了一个振动台，最后构成了电磁式振动体装置。装置实验过程中产生的电压曲线如图2所示。

图2 实验中装置产生的电压曲线

2 能量回收电路系统的设计

2.1 升压稳压电路设计

能量回收电路一般使用变压器对正弦电压升压，二极管的全桥整流电路整流，稳压二极管稳压或集成芯片输出稳定电压。基于本文振动体装置回收的能量功率小，因此能量回收电路着重低功耗设计。因为外围电路越少，电路消耗的功率越小，优先选择升压稳压集成芯片。

LTC3108升压稳压芯片是一款专为能量回收应用设计的低功耗集成芯片，内部含有全波整流器，输出一个可调的稳定电压。当外界振动能量不能持续提供时，LTC3108芯片的Vstore引脚存储的电能将给输出引脚供能。因为收集的电压经变压器升压后，输入LTC3108芯片的有效电压范围是：5～50V，而振动体装置回收的电压幅值粗略计算为4.2V，根据LTC3108芯片手册推荐的变压器，选择LPR6235-253PMR变压器，匝数比为1:20，升压稳压电路输出稳定的4.1V电压。能量回收电路系统如图3，包括振动体回收的能量、LTC3108芯片典型应用电路和锂电池充电保护系统。

图3 能量回收电路系统

2.2 简易锂电池充电保护系统

LTC3108芯片输出直接给低功耗设备供电或者经由锂电池充电保护系统给锂电池充电。锂电池充电保护系统由低功耗单片机MSP430和两mos管组成，MSP430单片机的P1_0脚检测锂电池两端电压，P1_1脚控制mos管T2的通断，间接控制mos管T3的开关状态。利用MSP430单片机内部自带的AD每隔1秒采集一次锂电池两端的电压值，将采集的信息与锂电池满电压值4.2V作比较，当V检测>4.2 V时，MSP430单片机间接控制MOS管T3截止(MOS管T3接在VOUT和锂电池正极之间)，锂电池充电停止；当V检测<4.2V时，电路保持正常充电状态。

3 整个能量回收流程

装置能量回收的过程包括：外界振动激励源的发生，电磁振动体装置的拾振系统将外界振动转化为电磁阻尼器的规则振动，电磁感应系统将振动能转换成电能，收集的电压经过升压稳压电路转换，最后稳定的电压输出给各种储能器件储能或低功耗设备供电。

4 结束语

以往的振动能量回收研究基本是采集垂直方向的振动能，并且主要使用悬臂梁结合压电陶瓷或磁铁线圈的方式来收集竖直方向的振动能。国内关于电磁振动能量回收的研究大多停留在理论仿真阶段，而且已经做出的实物均是微尺寸的，主要应用于人体运动过程或者人体呼吸等方面的能量回收。本文设计的电磁振动体装置可以较好地采集水平方向振动能，电磁阻尼器的结构简单而实用，主要应用于高楼层的建筑物。由于选择的能量回收电路可行优良性，输出的恒定电压值，保证了回收能量供能的稳定性和可持续性。因此，装置回收的电能可以有效地为锂电池充电和低功耗设备供电。