基于閉合回路電磁式的汽車振動(dòng)能量收集裝置研究與優(yōu)化

(長安大學(xué)汽車學(xué)院 陜西 西安 710064)

一、概論

(一)研究背景及目的

汽車的節(jié)能問題已備受各國關(guān)注。汽車懸架能夠消耗相當(dāng)多的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量，尤其是車輛在忐忑路面上行駛時(shí)，懸架大概消耗發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量的20%～40%[1]，為此回收這部分能量具有很高的價(jià)值。

吉林大學(xué)使用CARSIM軟件對(duì)車輛減振器消耗能量情況做過仿真試驗(yàn)，結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)汽車振動(dòng)能量的高效回收，具有實(shí)際意義，這將成為日后的一個(gè)重要研究方向。

(二)研究現(xiàn)狀

自1970年末，研究學(xué)者就開始分析回收車輛振動(dòng)能量的可行性及實(shí)際意義。加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的研究人員在對(duì)車輛懸架系統(tǒng)耗能的研究中，指出帶有能量回收裝置的系統(tǒng)可減少整車驅(qū)動(dòng)功率。Tudor等人深入研究了如何采集振動(dòng)能量，并制作了振動(dòng)型磁式振動(dòng)能量收集裝置。車輛在時(shí)速25公里時(shí)，經(jīng)過為時(shí)三分鐘的實(shí)驗(yàn)，該裝置能夠產(chǎn)生17W的平均功率[2]。

二、設(shè)計(jì)方案

汽車振動(dòng)能量回收裝置一般包括拾振機(jī)構(gòu)，電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，電路部分三個(gè)部分。

其中彈簧質(zhì)量振子是整個(gè)拾振機(jī)構(gòu)的核心部分，它能夠?qū)⑼饨绲恼駝?dòng)能量轉(zhuǎn)換為自身的機(jī)械能。本文采用彈簧質(zhì)量振子式對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

拾振機(jī)構(gòu)是發(fā)電裝置的核心，該機(jī)構(gòu)是將外界振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)部機(jī)械能的關(guān)鍵，與減震彈簧采用并聯(lián)式安裝。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，合理的布置該機(jī)構(gòu)能夠大幅度提高發(fā)電效率，優(yōu)化磁場，產(chǎn)生更強(qiáng)的感應(yīng)電壓[3]。

電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過接收拾振機(jī)構(gòu)收集的振動(dòng)能，經(jīng)過整流電路、儲(chǔ)能電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存。本文采用分塊設(shè)計(jì)，逐一檢查，功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)整合的步驟進(jìn)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(dòng)信號(hào)可以用信號(hào)源模塊進(jìn)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(qiáng)度。引用電阻模塊當(dāng)做外接負(fù)載并與線圈構(gòu)成一個(gè)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(jié)構(gòu)成為雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)[4]。

(一)拾振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 裝置工作圖

1.當(dāng)左右磁輒的齒頂和永磁體下面的下銜鐵正對(duì)時(shí)，此時(shí)前后磁輒的齒底與該銜鐵也相對(duì)；當(dāng)左右磁輒的齒底和永磁體上面的上銜鐵正對(duì)時(shí)，此時(shí)前后磁輒的齒頂與該銜鐵也相對(duì)，此時(shí)磁感線形成一個(gè)閉合的回路。

2.質(zhì)量振子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)左右磁輒的齒底與永磁體下方的下銜鐵相對(duì)面積小于齒頂與下銜鐵的相對(duì)面積時(shí)，磁感線由磁體N極出發(fā)，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(shí)與1)中情況相比通過線圈支架的磁通量變小了。

3.質(zhì)量振子繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)左右磁輒的齒底與永磁體下方的下銜鐵相對(duì)面積等于齒頂與下銜鐵的相對(duì)面積時(shí)，磁感線由永磁體N極出發(fā)，穿過上銜鐵，然后通過氣隙分別傳往四片磁輒，因?yàn)樽笥覍?duì)稱性的關(guān)系，向上去的那部分磁感線互相抵消。經(jīng)磁軛向下的磁感線，先后經(jīng)過磁軛與下銜鐵，最后回到永磁體的S極。

4.當(dāng)質(zhì)量振子繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)左右磁輒的齒底與永磁體下方的下銜鐵相對(duì)面積大于齒頂與下銜鐵的相對(duì)面積時(shí)。磁感線由永磁體N極出發(fā)，絕大多數(shù)的磁感線先后通過上銜鐵與氣隙，然后經(jīng)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(jīng)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(xù)向上振動(dòng)，當(dāng)左右磁軛的齒底和永磁體下方的下銜鐵正對(duì)時(shí)，磁感線從N極出發(fā)，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(shí)的磁力線走勢跟情形1)正好相反。

(二)電磁部分設(shè)計(jì)

電磁式能量收集器依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律為工作原理，簡而言之，該收集器將收集到的外界振動(dòng)能通過轉(zhuǎn)化變?yōu)殡娔?。因此，能量收集系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是該收集器的核心部分。

(三)電路部分設(shè)計(jì)

1.整流濾波電路

感應(yīng)電動(dòng)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?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，因此可以利用該特性把產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。該電路它由四個(gè)兩兩對(duì)接的二極管組成，此外該電路還能保證電流的方向不發(fā)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(fā)生改變，并把交流電的正負(fù)半周期加以充分利用，因此效率較高。雖然交流電經(jīng)整流電路處理變?yōu)橹绷麟?，但此時(shí)的直流電存在較大脈動(dòng)，因此還需要增加濾波電路做進(jìn)一步的處理。

電感線圈中的電流會(huì)隨著振動(dòng)發(fā)電源輸出電壓的增大而升高，由電感線圈的特性，其會(huì)產(chǎn)生相反方向的感應(yīng)電動(dòng)勢以使其中的電流逐漸變小，并且將一部分的能量儲(chǔ)存在電感中；相反，當(dāng)振動(dòng)發(fā)電源的輸出電壓減小時(shí)，電感中能夠產(chǎn)生與原來電流方向相同的電流以阻止原電流的進(jìn)一步減小。因此本文釆用電容濾波。

2.電感儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)

電感儲(chǔ)能的基本電路包括充電電源U、儲(chǔ)能電感L1、轉(zhuǎn)換開關(guān)J、負(fù)載R，電路及開關(guān)狀態(tài)如下圖所示。

圖3 電感儲(chǔ)能的基本電路(左)及開關(guān)時(shí)序狀態(tài)(右)

充電時(shí)，開關(guān)J1接通電源，J2斷開。儲(chǔ)能時(shí)，開關(guān)J1斷開，J2閉合，J3斷開，電感L1與J2形成一個(gè)閉合的回路。

三、相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算

(一)電感儲(chǔ)能數(shù)據(jù)分析

輸入端u1i(t)可近似為正弦函數(shù)u1i(t)=Umsin(ωt+θ)。實(shí)驗(yàn)所測信號(hào)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?qū)嶒?yàn)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(jì)。

假設(shè)t0到t1時(shí)刻電路對(duì)儲(chǔ)能電感L1充電，則電感L1在從初始時(shí)刻t0到t1時(shí)間內(nèi)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(chǔ)存電路

電磁式振動(dòng)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(shù)據(jù)計(jì)算

經(jīng)過電感和電容儲(chǔ)能后，輸出電壓范圍在2V左右，再利用DC-DC變換調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)控制開關(guān)將持續(xù)的直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種可調(diào)或固定的直流電壓，來獲得所需要的電壓[6]。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖。

圖5 DC-DC變換電路圖

電感L3的充電時(shí)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(fù)載電流:

(3-6)

式中，效率系數(shù)E一般為0.8～0.9.

四、裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

(一)電磁部分先進(jìn)性

1.注重構(gòu)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(zhuǎn)化效率；

2.對(duì)于低頻率振動(dòng)的情況，加入了多齒結(jié)構(gòu)，可以讓振子在一次的振動(dòng)中使磁場發(fā)生多次的交變，大幅度的提升了感應(yīng)電動(dòng)勢和發(fā)電功率[7]。

3.振子的運(yùn)動(dòng)范圍被裝置磁軛的多齒結(jié)構(gòu)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(hù)振子免受碰撞，還可以簡化結(jié)構(gòu)和組裝。

(二)儲(chǔ)能電路的先進(jìn)性

1.蓄電池與超級(jí)電容器可以完成組合，讓二者優(yōu)點(diǎn)得以互補(bǔ)，以變成一個(gè)完美的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.超級(jí)電容是一種新型的儲(chǔ)能裝置。與普通電容相比，超級(jí)電容具有體積小巧、容量大的優(yōu)點(diǎn)。另外和充電電池相比該超級(jí)電容又存在充電速度快、循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)；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(shù)較高、維護(hù)周期較長。

五、應(yīng)用及展望

本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)能量收集裝置在低頻振動(dòng)環(huán)境下仍能正常工作并完成發(fā)電，大幅度的拓寬了該裝置的應(yīng)用領(lǐng)域。除了在汽車方面，也可以應(yīng)用到其他方面：在日常的行走中完成振動(dòng)能量收集、搖擺的樹枝振動(dòng)發(fā)電、海洋漂流發(fā)電等來對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、野外儀器等充電[8]；因此對(duì)于此類裝置的進(jìn)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(wěn)定性，提高電路的轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)出高效的能量收集及存儲(chǔ)電路；進(jìn)一步提髙電能轉(zhuǎn)移與存儲(chǔ)效率；以上方面需仍需深入研究并加以完善。

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