一种磁电自供电无线传感器电源管理电路研究

针对GMM/PZT磁电复合单元将电磁波能量转化为电能时,其输出电能不足以直接驱动无线传感器的问题,设计了基于开关电容网络的电源管理电路,对其充放电特性进行了理论与实验分析。结果表明,该电路可以对电路中储能电容充电积累能量,当能量积累到一定程度,电容瞬间放电为无线传感器工作供电。     

一种磁电换能器及其能量管理电路研究

设计了一种双弹性基底磁电换能器,实现较宽频带内的交变磁场能量到电能的转换.并设计了电源管理电路,实现长时间内对磁电换能器输出电能的收集,瞬间放电,驱动负载工作.实验表明,这种双弹性基底磁电换能器的磁电响应带宽比单弹性基底的磁电换能器的带宽有所提高.而电源管理电路中的储能超级电容经过一定时间的充电,当其两端电压达到0.5V时,能量瞬间释放电路工作,成功驱动最大功耗为75nlw的无线传感器节点正常工作,工作时长为620ms.     

一种新型磁电自供电无线传感器供能电路研究

采用矩形杆式磁电复合换能器的双发电单元作为主发电源和辅助发电源,设计了一种电能瞬间放电电路.该电路能够将换能器主发电源采集的能量存储并瞬间释放,提高储能电容的输出功率,而辅助发电源则用来驱动管理电路控制放电电路工作.实验结果表明:当储能电容器中的电能积累到一定程度,管理电路控制电能瞬间放电电路放电,驱动无线传感器工作.     

基于STM32的电动小车动态无线充电系统

本设计以STM32单片机为主控,超级电容为储能核心控件,采用无线充电技术,将电感线圈的耦合能量传递给超级电容,利用超级电容储存的电能作为电源驱动小车。并且通过改进机械结构,实现了小车的红外循迹功能。系统共包括:低功耗的STM32主控模块、超级电容组储能模块、无线充电模块、定时充电模块、自启动模块、自动升压电源模块和电机驱动模块。该电动小车实现了动态无线充电及定时自启动完成轨道循迹的功能。     

车联网多传感器自供能系统储能稳压电路设计

本文针对轮胎内传感器的无线供电问题,重点设计了接收端模块中储能稳压电路。基于电磁共振发射原理,接收端接收到电信号经整流稳压后,为超级电容储能单元充电,此时超级电容停止放电;当无线电能接收中断时,则改由超级电容存储电能向后续电路输入。实验结果表明:当充电电流最大不超过1A时,由0.4V充到额定电压2.7V,并稳压在5V左右,使后续电路能正常工作,满足本系统对充电时间以及储能稳压输出的需求。     

基于振动能量采集器的无源无线传感节点技术研究

随着以MEMS技术为依托,结合压电效应的振动能量采集技术的日臻完善,如何利用振动能量采集器构成高效的无源无线传感节点成为近期研究热点,而能量采集器输出的电能储存控制和低功耗发射技术是实现该节点的难点。在设计出对储能电容电压具有双阈值检测与控制功能的低功耗电路基础上,给出了一种自报警、无源无线低功耗传感节点。实验表明,在频率52 Hz正弦振动、振动加速度幅值为5 gn激励下,经过125 s的能量储存,节点能够以+10 dBm功率在16 ms内完成发射及无线报警,发射距离可达1.31 km。该节点构成的无线传感网络可广泛应用于石油管线、桥梁和军事侦察等外部供电极度受限环境的现场监控等用途。     

超级电容驱动的电梯制动能量回馈损耗控制

为了有效回收电梯制动时的再生电能,降低系统损耗,提出一种储能回馈型电梯能量控制方案.方案利用超级电容的储能特性实现电梯系统的电能吸收与回馈,从而将制动产生的电能用于补充母线,对功率采取补偿.首先针对超级电容驱动设计了相应的充放电阈值、容量和功率约束,用以提高其充放电效率,以及和其它模块的匹配性.然后设计了基于超级电容与双向DC-DC的储能电路拓扑,根据归一化与约束分析,得到了占空比调节与纹波抑制的关系.最后,通过对超级电容模块及其效率分析,设计了不同功率等级下的交替工作策略,给出了不同功率等级下超级电容与DC-DC的工作状态、功率约束,有利于DC-DC对超级电容电压的控制,提升超级电容和DC-DC的综合效率.基于Simulink搭建仿真模型,结果表明在电梯制动过程中,超级电容能够准确及时的对制动能量进行回收,并且将回收的能量及时准确的回馈给母线,实现功率补偿的同时,也能避免功率波动,具有良好的驱动控制和能量管理能力,有效降低系统中的能量损耗,从而改善能效.     

无线充电小车的设计

本设计以超级电容作为储能核心,利用电磁耦合原理,通过初、次级线圈的感应来实现电能的传输对小车进行充电,解决了充电时受电源线困扰的烦恼。本设计由单片机控制继电器进行一分钟准确的无线电能传输,接收装置接收到能量信号后,经整流滤波后为超级电容进行充电,当时间到达设定时间后,停止对超级电容的充电,自启动电路生效,利用超级电容的储能特性为电机供电,小车自行启动。小车车体采用四轮玩具小车进行改造,车体轻盈,以两个普通的直流电机作为驱动车体前进的动力,增强了小车的爬坡力度。经测试,设计实现了无线充电一分钟后小车自行启动,完成直线前行或爬坡功能,可以直线前行20米或在倾斜角度为50度的斜坡上行驶1米。     

基于超级电容的电动小车动态无线充电系统

以电动小车无线充电为主题,实现了以超级电容为基本储能装置的电动小车动态无线充电系统。该系统使用了将无线充电模块与超级电容组相结合的模式,通过把直流电转换成高频交流电,再通过电磁感应原理为超级电容无线充电,放电时通过Boost变换为小车提供电能。实验可实现小车在跑道上的某点充电时,充电指示灯点亮起;当外界电源切断,充电断电后,小车可自动启动并循迹行驶。最终证明了超级电容与无线充电模块组合装置可实现小车在行驶中,经过通电线圈时可以进行闪充,并沿着既定运行轨道继续行进。     

一种大功率重频充电电流的分析与研制

为满足重频Marx装置中高压脉冲电容器组的快速充电需求,研制了一台采用超级电容预储能、全桥逆变升压、倍压整流、10路并联输出的高压电容器充电电源,输出电压-90 kV,平均充电功率6.5 kJ/s,对等效电容量为0.32μF的Marx装置进行5 Hz重频充电实验测试,电源系统运行良好,满足了小型化、可靠性设计指标。     

基于GMM的轨道无线传感网络能量收集装置研究

随着轨道无线传感器网络技术的推广,改善无线传感器的供电问题显的刻不容缓。研究一种基于超磁致伸缩材料（GMM）的轨道振动能量收集器,将收集器安装于钢轨与轨道板之间,收集钢轨的振动能。建立车辆轨道垂向耦合模型,将钢轨垂向位移和支反力作为能量收集器的激振源。利用超磁致伸缩材料的维拉里效应,将振动能转换为电能。经过MATLAB理论分析,能量收集器大致能收集到能量大约237.1584 J。收集的电能足以解决无线传感器的供电问题。     

供能于无线传感器网络的微型振动发电机结构性能研究

应用微机电加工技术制造的振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能源。为了提高发电能力,通过有限元仿真与实验分析了单压电片型式、双压电片并联型式和双压电片串联型式振动发电机的结构参数对发电能力的影响规律。结果表明,厚度比小的双压电片串联型式发电机输出开路电压较高;存在某一最优负载,在给定的激励频率下,使得输出功率最大;相同材料、结构参数下,双压电片串联和双压电片并联型式发电机的输出功率基本相同且高于单压电片型式发电机。     

Design and realization of an ultra‐low power sensing RF energy harvesting module with its RF and DC sub‐components

Herein, design, development, and analysis of ultra‐low power sensing energy harvesting modules and their subcomponents for ISM band applications have been studied with a holistic approach in an effort to achieve a feasible and high efficient RF energy harvesting performance. The complete harvester system designed and developed here consists of a zero‐bias RF energy rectifying antenna (rectenna), DC boost converters and energy storage super‐capacitors. Compared with the counterpart energy sources, the surrounding or transmitted wireless energy has low intensity which requires designs with high efficiency. To achieve a successful harvester performance, rectifier circuits with high sensitivity Schottky diodes and proper impedance matching circuits are designed. Dedicated RF signals at various levels from nanowatts to miliwatts are applied at the input of the rectenna and the measured input power versus the scavenged DC output voltage are tabulated. Furthermore, by connecting the rectifier to a high gain antenna and using a RF signal transmitter, the wireless RF power harvesting performance at 2.4 GHz was tested up to 5 m. The performance of the rectenna is analyzed for both low‐power detection and efficiencies. Impedance matching network is implemented to reduce the reflected input RF power, DC to DC converters are evaluated for their compatibility to the rectifiers, and super‐capacitor behaviors are investigated for their charging and storage capabilities. The measured results indicate that a wide operating power range with an ultra‐low power sensing and conversion performance have been achieved by optimizing the efficiency of the Schottky rectifier as low as ?50 dBm. The system can be used for battery free applications or expanding battery life for ultra‐low power electronics, such as; RFID, LoRa, Bluetooth, ZigBee, and low power remote sensor systems.     

A magnetoelectric energy harvester and management circuit for wireless sensor network

This paper presents an electromagnetic energy harvesting scheme by using a composite magnetoelectric (ME) transducer and a power management circuit. In the transducer, the vibrating wave induced from the magnetostrictive Terfenol-D plate in dynamic magnetic field is converged by using an ultrasonic horn. Consequently more vibrating energy can be converted into electricity by the piezoelectric element. A switching capacitor network for storing electricity is developed. The output of the transducer charges the storage capacitors in parallel until the voltage across the capacitors arrives at the threshold, and then the capacitors are automatically switched to being in series. More capacitors can be employed in the capacitor network to further raise the output voltage in discharging. For the weak magnetic field environment, an active magnetic generator and a magnetic coil antenna under ground are used for producing an ac magnetic field of 0.2–1 Oe at a distance of 25–50 m. In combination with the supply management circuit, the electromagnetic energy harvester with a rather weak power output (about 20 μW) under an ac magnetic field of 1 Oe can supply power for wireless sensor nodes with power consumption of 75 mW at a duration of 620 ms.     

微型之字形压电式能量收集器输出电压的建模和仿真

为了有效解决无线传感器网络节点的供电难题,提出之字形结构的微型压电式能量收集器。相比于传统的直悬臂梁,此结构等效加大了压电梁的长度,降低了系统的固有振动频率。建立了之字形压电梁的本构方程和受迫振动方程,推导得到其输出电压的频域表达式。基于之字形压电梁的结构,利用ANSYS软件对其进行了谐响应分析。仿真结果表明,压电梁的输出电压在各阶固有振动频率处存在极值,符合理论分析的结果;输出电压大小随压电梁长度增加而降低,随压电梁宽度增加而升高,但均为非线性关系;压电梁末端质量块的长度和厚度、基体层厚度减小时,会导致输出电压的增大。在论文中所提出的结构尺寸下,10根直梁构成的之字形结构压电梁,在其一阶固有振动频率处,输出电压可达10 V以上,符合无线传感器网络节点的实际供电需求,证明了之字形压电梁结构的有效性。     

基于微电压调节的太阳能充放电系统设计

基于微电压调节的太阳能充放电系统,是以微控制器LPC1114为核心的太阳能电池板充放电电路,是实现高效率的智能充放电设计方案。微电压调节理论整合了经典电压回授法和多种太阳能最大功率点追踪思想,利用简单合理的DC／DC平衡技术,充分考虑系统功耗等问题,以简单的电路设计和创新的软件思想实现更高效率的太阳能系统。随着能源危机的加剧,高效率、低成本的太阳能系统备受社会关注,其在民用、交通等领域的运用也更加重要。     

基于自供电的磁流变阻尼器内部状态无线监测系统设计

为了获取磁流变阻尼器内部状态参数并解决能量供给问题,设计了一套基于自供电技术的磁流变阻尼器内部状态无线监测系统。通过能量采集装置将服役状态下磁流变阻尼器中磁流变液的动能转换为电能,再经能量管理电路进行高效充放电管理,为无线发射模块和传感器供电,无线发射模块将传感器采集到的数据发送给外部接收模块进行处理。实验结果表明:采集到的能量能够驱动无线传感模块正常工作,该系统能准确获取阻尼器内部温度、压强信息,为磁流变阻尼器的进一步研究提供理论依据和技术支持。