自供能磁流变阻尼器原理及其能量管理电路研究

【摘要】：随着人们对能源需求的不断增多以及全球面临的能源短缺问题的不断加剧,自供能技术成为各国学者研究和关注的重点。自供能技术是指系统中的能量收集装置收集系统周围环境中能量并转换成电能量以实现系统电子设备(如控制器,传感器)的能量自供给的技术。可以想象,在基于磁流变阻尼器的半主动悬架系统中,如果能设计一种自供能磁流变阻尼器,将系统周围的机械振动能量收集起来转换为电能量,并将这些电能量为系统中其他电子设备供电,则可简化系统的结构、降低系统的应用成本。研究工作发现,自供能磁流变阻尼器感应线圈上产生的感应电压是低频、低电压信号,传统的以桥式整流电路和倍压电路为主的能量收集电路无法对其进行有效的能量收集。本文针对低频、低电压的能量收集源,提出并实现了一种能量管理电路(Energy Management Circuit)的原理。提出并实现的能量管理电路由能量收集电路、启动电路、控制电路和能量储存电路组成,利用两个场效应管组成的双向开关使能量收集电路工作在不连续导通模式,避免了前端整流桥的使用,能将低频、低电压信号转换为稳定的直流电压输出,并可将能量储存于充电电池或者超级电容。 本文的主要研究工作和成果包括: 1.针对自供能磁流变阻尼器的结构,分析了自供能磁流变阻尼器的工作原理。在自供能磁流变阻尼器中,利用在高导磁的活塞头上均匀绕制的线圈充当磁流变阻尼器的励磁线圈,利用在不导磁的缸筒上均匀绕制的线圈充当感应线圈。当不同直流励磁电流和载波电压信号同时作用于励磁线圈时,自供能磁流变阻尼器缸体上的感应线圈上将产生感应电压,并且可以计算在最大功率传递条件下自供能磁流变阻尼器缸体感应线圈的平均输出功率。 2.针对自供能磁流变阻尼器能量源的感应电压特性,设计并开发了一款能量管理电路,并对能量管理电路的各部分功能进行了分析。能量管理电路由能量收集电路、启动电路、控制电路和能量储存电路组成。能量收集电路用于将输入交流电压转换为稳定的直流电压。启动电路在电路工作初期为控制电路提供工作电压。控制电路产生一个控制信号控制能量收集电路中的双向开关。能量储存电路将能量存储于超级电容。 3.利用凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)开发的LTspice软件对能量管理电路的性能进行了仿真分析。仿真结果表明,能量管理电路能将自供能磁流变阻尼器励磁线圈在通入不同直流励磁电流条件下产生的低频、低电压信号转换为稳定的直流电压。 4.利用MTS 849减震器测试系统搭建了自供能磁流变阻尼器的实验测试系统。在空载和带电阻负载情况下,测试了在不同直流励磁电流和载波电压信号同时作用于励磁线圈时,自供能磁流变阻尼器缸体上的感应线圈上的感应电压。在自供能磁流变阻尼器通入不同直流励磁电流和不同电阻负载情况下,测试了能量管理电路的输出端负载电压和能量管理电路的储存能量性能。实验结果表明,能量管理电路能把自供能磁流变阻尼器产生的低频、低电压转换为稳定的直流电压输出,并可将能量储存于超级电容。 5.测试了需外部控制信号的能量收集电路性能,并与能量管理电路实验结果对比分析。实验结果表明,当自供能磁流变阻尼器在相同的位移激励和相同的直流励磁电流条件下,能量管理电路的输出电压要高于需外部控制信号的能量收集电路的输出电压,能量管理电路的平均输出功率也比需外部控制信号的能量收集电路输出功率大。 本文的研究工作为实现基于磁流变阻尼器的半主动悬架系统的自供能奠定了一定的基础。