一種新型振動能量收集系統，可持續點亮LED燈和數碼管

瀋陽工業大學機械工程學院的研究人員劉慧芳、曹崇東、趙強、馬凱、谷豔玲，在2020年第14期《電工技術學報》上撰文，基於懸臂式鐵鎵合金的動力學模型、等效電路模型和伏安特性建立懸臂式鐵鎵合金振動能量收集裝置的輸出電壓和輸出功率模型，設計能量存儲電路，搭建了鐵鎵合金振動能量收集裝置實驗平臺。

實驗結果表明，在67Hz固有頻率、外接17負載時，樣機的最大輸出功率為116mW，對應的功率密度約為271W/cm3；電壓智能調解電路的最大輸出電壓可保持在5.1V，且可為鋰電池提供4.18V的充電電壓，實驗驗證了振動收集裝置的輸出電壓經過所設計的能量存儲電路可有效地為超級電容器和鋰電池充電，實現對能量的存儲；樣機可持續點亮LED燈和數碼管，進一步證明了文中涉及的振動收集裝置及存儲電路的有效性，並為其在無線傳感器節點供電中的實際應用提供了基礎。

振動能量收集技術屬於利用環境廢棄振動能量產生電能的研究領域，該研究可以應用於許多無需人工幹涉即可長期運行的實際問題中，如無線傳感器網絡、健康監測、心臟起搏器、自供電傳感器等。傳統上，電池是此類設備的主要電源。

然而，每年對數十億個廢棄電池的處置會引發嚴重的環境問題，並且有限的使用壽命對設備的長期、自主運行亦構成了挑戰。因此，收集環境中的振動能源是實現可攜式和無線電子設備可持續綠色供電的有效途徑，該技術引起了學術界的廣泛關注。

壓電及磁致伸縮等智能材料已經被證明能夠依靠材料固有的特性實現對輪胎、風、人體運動等形式的環境振動能量進行收集。壓電材料振動能量收集是一種直接簡單、較為流行的方法，其是通過正向壓電效應將材料的應變能轉化為電能，由於無笨重的附件以及易於與微機電系統（Microelectro- mechanical System, MEMS）沉積融合的優勢，目前對它的研究較為廣泛。

壓電振動收集方法具有電容特性，可以產生較高輸出電壓和較低電流。另外，壓電材料中也存在去極化、電荷洩漏、最佳輸出功率需要很高匹配負載阻抗等缺點。

為了克服這些局限性，近幾年嘗試基於磁致伸縮材料（Magnetostrictive Materials, MsM）的Villari效應實現收集振動能量。基於MsM的能量收集方法是利用了其結構振蕩所引起的磁場變化，進而在拾取線圈中產生電動勢。

近些年出現的磁致伸縮球墨鑄鐵合金（稱為Galfenol）和玻璃纖維金屬化合物（例如Metglas）等MsM具有高強度、優異的延展性、良好的魯棒性、較高的飽和磁致伸縮係數和機電耦合係數，尤其是優異的可加工性。這為需要通過與彎曲結構靈活配合來完成振動能量收集提供了一種更合適的核心元件材料。並且，這些材料沒有去極化問題，可顯著提高系統運行的可靠性。

然而，在低振動激勵下時，磁致伸縮裝置表現出幾百毫伏的低電壓和幾十微瓦的低功率。因此，有必要設計一種高效的能量採集系統，以實現最大功率的跟蹤與能量存儲，以滿足負載端的要求。

瀋陽工業大學機械工程學院課題組利用鐵鎵合金研製了一種懸臂式振動能量收集系統，可實現源於基極振動及瞬態自由振動的收集。

圖1 懸臂式鐵鎵合金振動收集裝置原理結構

圖2 信號處理與能量存儲電路原理

研究人員將鐵鎵合金複合懸臂梁結構近似簡化為單自由度質量-彈簧-阻尼系統，建立了懸臂式鐵鎵合金振動能量收集裝置的輸出電壓模型，並依據其等效電路模型和伏安特性，對能量收集裝置在外接負載電阻時的輸出功率進行理論分析。

圖3 信號處理與能量存儲電路實物

圖4 實驗裝置平臺

由於懸臂式鐵鎵合金振動能量收集裝置產生的電壓是交流電，並且電壓較小，不能直接用於為電子元器件供電。針對此問題，他們設計了四倍壓整流電路，用於對收集裝置輸出的交流電進行升壓與整流；採用MAX1795和MAX1811晶片設計了電壓調節電路和儲能管理電路，進一步提高了直流輸出電壓，最大值可達到5.1V，同時可為超級電容器和鋰電池充電，實現對能量的存儲。

圖5 樣機為多個並聯的LED燈供電

圖6 樣機為多個數碼管供電

最後，研究人員開發了懸臂式鐵鎵合金振動能量收集樣機，並搭建了實驗平臺。綜合測試了樣機的發電能力與能量存儲電路的性能，結果表明，樣機系統輸出的直流電能夠持續點亮了多個並聯LED燈或數碼管，進一步驗證了樣機的發電能力及信號處理與能量存儲電路的工作性能。

以上研究成果發表在2020年第14期《電工技術學報》，論文標題為「懸臂式鐵鎵合金振動能量收集的存儲方法」，作者為劉慧芳、曹崇東、趙強、馬凱、谷豔玲。