基于自发电技术的微动能采集理论分析

李闯

(维琅电气有限公司,上海201114)

1 概述

全球变暖加剧,能源转型压力巨大,全世界都在寻求新能源解决方案,在经济高速发展的今天,我国在环境治理方面尤为重视,也在积极寻求能源方案。如风能、太阳能光伏发电、水电和核能等已经大范围普及和应用,习总书记说“绿水青山,就是金山银山”,由此可见国家对环境治理的高度重视。自发电开关就是一种微动能采集技术的应用,将机械能转化为电能,不需要电池等其他外部电源供电,是一种非常好的技术应用,在环保的同时也为客户提供了便捷性。

1831 年,迈克尔·法拉第在实验中发现了电磁感应现象,直至1865 年,麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组,这个方程组在理论上系统的描述了电场和磁场本质关系,并可以描述所有关于电和磁的现象,从此人类打开了另一扇认知世界的大门。发电机、电动机和无线信号传输等应用都是基于电磁感应原理,这些技术相关的产品对人们的影响越来越深远也越来越普及。

无线自发电技术源于德国,德国EnOcean GmbH 是无线能量采集技术的开创者,2012 年3 月,国际电工技术委员会(International Electrotechnical Commission) 将EnOcean 无线通信标准采纳为国际标准“ISO/IEC 14543-3-10”,这也是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。

本文所研究的内容通过参阅资料发现还没有针对此类问题进行论述资料。本论文主要研究内容是如何提高发电部分能效利用率,并通过分析和理论计算及实验对比验证。通信协议和应用部分不在本文的研究范围内。无线自发电系统的主要工作原理是通过按键来控制磁铁运动,磁铁运动的过程中会引起线圈中磁场变化来,根据电磁感应定律和麦克斯韦方程,变化的磁场产生电场,且磁场变化的越快,产生的电场越强。磁铁的往复运动会在线圈两端产生极性交替的电压,线圈中的交流电通过全波整流滤波后得到直流电后经过电容储能,然后通过稳压芯片稳压后给系统供电。

2 系统架构

自发电开关的系统电路主要由以下4 个部分组成,我们这里主要研究①②③部分理论计算和电路设计。(图1)

图1 系统原理框图

通过按压按键,发电机将机械能转化为电能,由于按压的方向能导致发电的极性改变,所以必须加上整流电路,保证无论从哪个方向按下,最终的电流和电压方向可以保证一样,整流后的电路在经过滤波和稳压处理,就可以给整个系统供电,单次按压的发电量一般只能满足系统工作几十毫秒。

其中发电部分①②的主要电路原理如图2 ,后续的理论分析和验证主要以图2 的拓扑结构为依据进行测试。

图2 储能电路拓扑结构

产品电路功能实现如图3 所示,发电机按压过程中产生的电流经过4 个二极管搭建的整流桥。为了提高电能的利用率,减小整流过程中二极管对电能的热损耗,我们这里二极管选用低压降,小封装的整流二极管,其中二极管压降低至0.2V。为了提高电源转换效率,直流稳压电路采用DCDC 原理,它是一个降压电路,电路拓扑结构为BUCK 型,电源转换效率高达90%。DCDC 电路与常用LDO 降压电路相比有明显的优点,一般的LDO 降压电路电源利用率低,很难满足这种微功耗电路的应用需要。系统中输出电压可调,可以通过调节R1 和R2 的阻值来调整电路的直流输出电压,如果在后续的测试中需要调节电压来降低系统功耗会变的非常简单。目前设计的输出电压为直流3.3V。

图3 系统电源转换电路

3 理论分析

本部分内容主要分两部分:第一部分是对实际电路的发电波形进行验证,即理论上能够拟合出实际的电路充放电效果图,第二部分则对重放电电路进行定量计算,在特定条件下(发电机发电量恒定,系统供电电压一定,本论文供电电压设定为DC3.3V),调整电路系统的哪些参数,且如何调整,此时电路系统的电能利用效率最高,工作最可靠。

3.1 电路充放电波形理论拟合

对发电机空载时的波形进行测试,按键按下或者弹回后的发电曲线,示波器抓取的波形图如图4,可以近似等效为周期4ms,幅度为25V 的正弦波半个周期,即:

图4 发电机空载波形

如图2,调整C1 和R1 参数,使得电路充放电时间τ=R*C=1ms。根据电容充电放电公式:

因为电容在0-1ms 为充电状态,由于整流二极管的存在,电容电压V0 达到最大值时二极管反向不会导通,正向也不会给电容再次充电,所以电容在1ms 以后为放电状态,所以整个过程采用分段函数的形式进行表达,即系统在正常工作时,电容两端的电压表达式如下:

所以U(t)函数的理论图形为图5 所示。

图5 储能电容充放电理论波形

3.2 电源效率最大化理论计算

通过理论分析推导,确定系统中是否有最优参数,可以使发电机的电能使用效率最高,即满足一定电压的情况下,放电时间最长(系统工作时间最长),这样可以让发射系统更稳定的工作。

下面我们可以通过基本公式进行分析:

瞬时功率为P=UI,则总功率为W=UIt,其中It 积分后为电容的电量Q

图6 为电容的放电曲线,自发电系统需要确定一个电容最佳参数,当电压U(t)大于V0 时,放电时间t 最大,理想情况下发电线圈量为W,且全部被电容存储。

图6 电容放电曲线

根据图7t=τ(lnV-ln(t))的函数图形可知,此函数确实存在最大值,即一阶导数为零时,t 有最大值,由此算出C 的值就是最优的参数。

图7 t=τ(lnv-lnu(t))函数曲线

将公式(6)带入t=τ(lnv-lnu(t))公式得出:

当W=200μJ,U(t)=3.3V,求出则C=13.5μF,此结果和函数图7 曲线相吻合。

通过上述理论分析得出,发电机发电能效的利用效率和负载阻抗大小没有关系,只与系统发电机发电量、系统最低工作电压和储能电容大小有关。如果发电机发电量和系统最低工作电压这两个参数是已知量,那么我们就可以通过上述公式求出最佳的电容值,然后通过实际测试进行确认。

4 实测验证

4.1 电路充放电波形

根据4.1 的计算和推倒,调整电路参数,用示波器抓取电路储能电容两端的电压波形,测试结果如图8,理论(上)和实际波形(下)比较接近。

图8 储能电容两端波形对比

4.2 电容参数有效性验证

按照图2 的原理进行验证,其中电容封装微0805,时间t 是在图2 的基础上测试完成,见表1。

表1 电容参数测试表格

测试结果生成:

将电容放电时间通过表格生成曲线图,图9。

图9 放电时间统计

因为大容值的电容误差在10%左右,且有一定的漏电,测试结果不能完全和理论符合,但是应该在理论值附近,根据上述测试结果,可以看出电容值在12～17μF,电压高于3. 3 的放电时间最长,约60ms,与理论结果13.5μF 一致。

5 结论

本文对微功耗能量采集方面的设计具有理论和实际指导意义,能够快速的解决实际设计中遇到的问题,减少大量的调试测试工作。提高系统的可靠性可以从很多方面来解决,本文的结论只是一个方面,在文中我们可以看到,提高发电机发电量,降低系统最小工作电压,这些都是解决思路和方向,且在实际应用中切实可行。

全球每年遥控器使用量巨大,电视机、空调、汽车等,每年更换电池会造成严重的环境污染,希望我们的分析和结论能够对其它微功耗产品有所帮助,能够使更多的产品延长电池的使用寿命,减少电池更换频率或者不使用电池,使用其它的清洁能源(如太阳能、风能等)来达到同样的效果。