基于MSMA材料微电能采集和存储电路的研究

发布时间：2020-07-15 22:16

【摘要】：磁控形状记忆合金(Magnetically controlled Shape Memory Alloy,MSMA)是近年来新兴的一种可应用于能量采集领域的Ni-Mn-Ga合金智能材料,性能优越,可以通过一定的采集装置将环境中的振动能量转换为电能,进而通过电源管理电路实现为超低功耗负载供电。本文主要利用MSMA的优良特性进行振动能量采集和存储技术的探索性研究,首先建立和仿真验证了MSMA振动换能系统的优化数学模型,在此基础上改良并测试了一款新型MSMA振动能量采集器。然后针对采集器的输出特性,设计和仿真验证了三种不同的微电能采集和存储电路方案。最后搭建系统测试平台对最终方案进行了实验测试。本文前三章主要在分析MSMA材料逆特性的基础上,建立并用MATLAB软件仿真验证了MSMA振动能量采集系统输出感应电压的优化模型,完成了采集器的优化、仿真和性能测试。然后在第四章中研究了微电能采集和存储的基础电路,用Multisim软件对所研究的一系列整流、升压等基础电路进行仿真,并对仿真得到的曲线进行对比分析,总结了微电能采集和存储电路的难点和研究重点。第五章开始进行芯片方案设计,首先设计并仿真验证了基于LTC3526和MAX1811的有源采集与存储管理电路,可以实现将采集的振动能量储存于锂电池中且存储过程可控。然后设计并仿真验证了基于MSMA振动能量采集的传感器节点有源供电系统。该系统由采集器输出和主电池两个供电部分组成,实现了无缝切换且优先启动环境振动源,可以延长系统的供电寿命。在第六章中主要设计并测试了基于BQ25504的无源微电能采集与存储管理电路和BL系列稳压输出模块,可以实现环境振动能量的有效输出,为超低功耗负载供电。
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.6;TP333
【图文】：

采集器,能量,压电式,振动能量

图 1.1 集成低频电磁式 MEMS 能量采集器有正压电效应，压电式能量采集方式的原理就是利用其现振动能量的转换。在目前的研究文献中，可以发现悬量采集方式的热门结构。由于压电式能量采集器设计结深受国内外研究工作者青睐。国外方面：2009 年，新加等人设计并制作了一种单晶片结构的压电式振动能量采物（macro—fiber compo- sites,MFC)，250mm x62mm x

采集器,振动能量,磁致伸缩

沈阳航空航天大学硕士学位论文学 Wang Lei 等人通过非结晶金属玻璃[16-20]（Metglas 2605SC）设计制作了能量采集器，在频率为 1100Hz 的振动条件下对该采集器进行测试，结果率为 606μW/cm3。如图 1.2 所示，磁致伸缩式振动能量采集器的优点[2需外供电源；2.具有高磁极耦合能力；3.输出功率密度较大；4.不存在去点主要是其结构需要大量的线圈,体积较大难以与 MEMS 集成应用。

采集器,振动能量,复合式,压电

图 1.2 磁致伸缩振动能量采集器伴随着振动能量采集方式研究范围的不断扩大，很量采集器。例如：Khaligh A[25]等人在 2008 年设计采集器的拓扑结枸（如图 1.3 所示）。2008 美国授等人创新性地在磁致伸缩材料的基础上加入压D/PZT/Terfenol-D 的三明治结构复合振动能量采集度为 0.5gn 的激励条件下实现输出功率超过 10mW研究前景，但也存在着一些比较明显的弊端[26-27]，，因此其基础设计理论和技术方法还需要进一步深

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