CN102797655B - 汽车压电减振器发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车压电减振器发电系统:利用减振器活塞杆上下运动将油液泵入高压罐中形成油液的液压能,完成减振器动力系统功能;利用油液的静压能驱动马达带动转轴活塞转动使液压缸中油液的压强产生变化,完成液压振动系统功能;利用油液的压强变化形成准简谐振动带动活塞对压电叠堆产生准简谐振动的压应力从而由d33模式压电陶瓷的正压电效应将机械能转化为电能,并依次电性连接整流电桥和储能器,完成压电换能系统功能。该发明利用了最高的压电常数,提高了施加作用力的频率,极大的提高了转换效率,实现了能量持续稳定地转换,对压电陶瓷施加的力为压力,保持了压电换能器固有的长寿命,其所用减振器与现有普通减振器外观结构无差异,更换成本低,具备可观的市场前景。

Description

汽车压电减振器发电系统
技术领域
本发明涉及一种汽车压电减振器发电系统,尤其涉及一种采用d33模式压电陶瓷进行汽车压电减振器发电的系统。
背景技术
随着世界经济发展,能源消耗剧增,依靠肆意攫取有限的不可再生能源并非长久之策,加上石油等重要能源带来的温室效应影响已到了不可忽视的地步,人类正面临着前所未有的能源危机。在这种时代背景下,开发绿色新能源和有效的节能方式,成为一种趋势。
在节能方面,汽车作为人类主要的代步工具,其踪迹遍布全球各个角落,消耗着50%的开采石油,每天排放出上千万吨二氧化碳温室气体。如何有效减少汽车能源消耗和温室气体排放已成为一个重要研究课题。
汽车减振器发电作为创新节能项目在最近几年才得到重视并开发。美国纽约州立大学的科学家开发出了一种新型发电减振器,这种由一个小型磁控管和一个空心线圈组成的减振器能够将汽车行驶过程中产生的颠簸和振动转化为电能。车辆试验显示,安装在一辆中型客车中的新型减振器,在车辆以60英里的时速在正常的道路上行驶时,可以产生100到400瓦的能量;在较为颠簸的道路上行驶则能产生1600瓦的能量;而将其在卡车和越野车上进行应用时,根据路面质量的不同可以产生 1到10千瓦的能量,这些由减振器产生的电能既能为汽车电池充电,也能为车辆上的其他电子设备提供电力支持,功率一般可达到250到350瓦。该装置的应用可大幅减少车辆发电机的负荷(普通车辆发电机的功率约为500到600 瓦)。如果按此计算,这种能量采集装置可以将普通燃油汽车的燃油经济性提高1%到4%,将油电混合动力汽车的燃油经济性提高8%。但这种减振器结构复杂,制作成本高,更换这种新型减振器所产生的成本,对普通载客汽车而言需3到4年才能收回成本,对卡车而言收回成本也要1到2年。另外,受路况影响,发电功率不稳定。
同时国内也有一些发电减振器的专利,比如中国专利申请号201010214760的“车辆液压发电减振器”。由阀路、液压缸、液压马达、发电机组成,通过减振器活塞运动,将油液泵入液压缸储存,再释放出来驱动液压马达工作,液压马达带动发电机发电。这种发电减振器结构较为简单,但其使用液压马达来带动发电机发电的方式,因为液压马达将静压能转换为转子动能的效率比较低,所以整体的发电效率必然降低。同时,外形结构决定了其难以安装以更换现有减振器,缺乏实用性。
发明内容
为了克服上述缺陷,本发明提供了一种压电减振器发电系统,该发电系统自身结构简单、转化效率高、工作稳定、实用性强,而且其所用减振器与现有普通减振器外观结构无差异,更换成本低。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种汽车压电减振器发电系统,主要包括减振器动力系统、液压振动系统和压电换能系统,其中:
所述液压振动系统包括马达、转轴活塞和液压缸,该马达的动力轴承一端延伸出来并与转轴活塞相接成一同心轴,该转轴活塞密封活动套与液压缸通过管道连通,所述马达能够带动转轴活塞转动而使活塞在液压缸内产生简谐振动。 
所述压电换能系统包括压电叠堆、整流电桥和储能器,所述液压振动系统中液压缸中活塞的简谐振动能够对压电叠堆产生准简谐振动的压应力,在压电叠堆的每一层引出上下电极,相互形成串联、并联和串并联电路之一并依次电性连接整流电桥和储能器。
作为本发明的进一步改进,导向座活塞能够和活塞杆附缸产生相对运动,将该活塞杆附缸内油液泵入高压罐内的结构为:在所述活塞杆附缸和高压罐之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液从所述活塞杆附缸流向高压罐的第一单向阀;在所述导向座活塞和活塞杆附缸相互靠近时,活塞杆附缸内压强增大;在所述导向座活塞和活塞杆附缸相互远离时,活塞杆附缸内压强减小。
作为本发明的进一步改进,所述活塞杆附缸和减振器缸筒之间通过管道连接,并在该管道之间设有仅能够使油液从减振器缸筒流向活塞杆附缸的第二单向阀。
作为本发明的进一步改进,所述马达能够带动转轴活塞转动而使活塞产生简谐振动的结构为:所述马达为液压马达;所述高压罐和马达之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液由高压罐流向马达的第三单向阀;所述液压缸由活塞隔离成一液压腔和一空腔;所述液压缸的液压腔上设有高压入口和低压出口,该液压缸的高压入口和高压罐之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液由高压罐流向液压缸的第四单向阀,该液压缸的低压出口和减振器缸筒之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液由液压缸流向减振器缸筒的第五单向阀;所述转轴活塞密封活动套上设有一对通孔,该对通孔与所述液压缸的液压腔连通;所述转轴活塞转动时仅能够使所述该对通孔中的一个通孔与所述高压入口和低压出口之一通过管道导通。 
作为本发明的进一步改进,所述液压振动系统中液压缸中活塞的简谐振动能够对压电叠堆产生准简谐振动的压应力的结构为:在活塞杆内腔放置压电叠堆并固定,并使活塞与压电叠堆之间形成一定的预压力。
其中,所述压电叠堆是利用d33模式的正压电效应来转换能量的。
本发明的有益效果是:使用d33模式压电陶瓷作为能量转化主体进行减振器发电,利用液压装置,通过机械动能-静压能-振动能-电能的转化模式,利用了最高的压电常数,提高了施加作用力的频率,极大的提高了转换效率,实现了能量持续稳定地转换,对压电陶瓷施加的力为压力,保持了压电换能器固有的长寿命,其所用减振器与现有普通减振器外观结构无差异,更换成本低,具备可观的市场前景。
附图说明
图1为本发明所述汽车压电减振器发电系统的剖视图;
结合附图,作以下说明:
1——防尘罩                  2——导向座   
3——转轴活塞                4——导向座活塞
5——第五单向阀(23→8)     6——活塞杆附缸
7——第二单向阀(8→6)      8——减振器缸筒
9——伸张阀                  10——储油缸
11——压缩阀                 12——补偿阀
13——流通阀                 14——高压罐
15——第一单向阀(6→14)    16——第三单向阀(14→18)
17——第四单向阀(14→23)   18——马达
19——高压入口               20——低压出口
21——活塞                   22——压电叠堆
23——液压缸                 24——减振器活塞杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1 为汽车压电减振器发电系统示意图,它包括了转轴活塞3 、导向座活塞4、第五单向阀5、活塞杆附缸6、第二单向阀7、高压罐14、第一单向阀 15、第三单向阀16、第四单向阀17、马达18、高压入口 19、低压出口20、活塞21、压电叠堆22、液压缸 23、减振器活塞杆24。
汽车在行驶过程中,车身相对于车轮会产生上下振动。当汽车车身移近车轮时,即减振器工作在压缩行程中,减振器活塞杆24向下移动,带动活塞杆附缸6远离导向座活塞4,活塞杆附缸内压强变小,这时第二单向阀7打开,减振器缸筒8内的油液通过第二单向阀7被吸入活塞杆附缸6;当汽车车身远离车轮时,即减振器工作在伸张行程中,减振器活塞杆24向上移动,带动活塞杆附缸6靠近导向座活塞4,活塞杆附缸内压强变大,这时第二单向阀7关闭、第一单向阀 15打开,活塞杆附缸内6油液通过第一单向阀 15被挤入高压罐14。这样通过活塞杆不断地上下运动,活塞杆附缸6不断从减振器缸筒8吸入油液,并转化成高压油液泵入高压罐14储存。这样完成了机械动能能量转化为高压罐14中油液静压能的步骤。        
高压罐14驱动液压马达18带动转轴活塞3使液压缸23中油液分别与高压罐14、减振器缸筒8进行连通、断开的操作,使液压缸23中液压腔内的压强产生变化,从而使得活塞21上产生相应压力作用而形成微位移、大压力的准简谐振动,振动的活塞作用在压电叠堆11上形成一种准静态的压应力。从而利用d33模式压电陶瓷的正压电效应将减振器的机械动能转换为电能。
压电叠堆22每一层都拥有上下两极,通过电极引出相互形成串联、并联或串并联电路以达到适宜的功率输出参数,利用整流电路将每一周期内产生的正、负电荷均转为要求的电荷性质储存在储能器中,储能器对汽车供能,实现汽车压电减振器发电的目的。

Claims (5)

1.一种汽车压电减振器发电系统,主要包括减振器动力系统、液压振动系统和压电换能系统,其特征在于:
所述减振器动力系统 包括活塞杆附缸(6)、导向座活塞(4)和高压罐(14),所述活塞杆附缸(6)和导向座活塞(4)是活动衔接,所述导向座活塞(4)能够和活塞杆附缸(6)产生相对运动,将该活塞杆附缸(6)内油液泵入高压罐(14)内;在所述活塞杆附缸(6)和高压罐(14)之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液从所述活塞杆附缸(6)流向高压罐(14)的第一单向阀(15);在所述导向座活塞(4)和活塞杆附缸相互靠近时,活塞杆附缸内压强增大;在所述导向座活塞(4)和活塞杆附缸相互远离时,活塞杆附缸内压强减小;
所述液压振动系统包括马达(18)、转轴活塞(3)和液压缸(23),该马达(18)的动力轴承一端延伸出来并与转轴活塞(3)相接成一同心轴,该转轴活塞(3)密封活动套与液压缸(23)通过管道连通,所述马达(18)能够带动转轴活塞(3)转动而使活塞(21)在液压缸(23)内产生简谐振动;所述高压罐(14)和马达(18)之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液由高压罐(14)流向马达(18)的第三单向阀(16);所述液压缸(23)由活塞(21)隔离成一液压腔和一空腔;所述液压缸(23)的液压腔上设有高压入口(19)和低压出口(20),该液压缸的高压入口(19)和高压罐(14)之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液由高压罐(14)流向液压缸(23)的第四单向阀(17),该液压缸的低压出口(20)和减振器缸筒(8)之间通过管道连通,并在该管道上设有仅能够使油液由液压缸(23)流向减振器缸筒(8)的第五单向阀(5);所述转轴活塞(3)密封活动套上设有一对通孔,该对通孔与所述液压缸(23)的液压腔连通;所述转轴活塞(3)转动时仅能够使所述该对通孔中的一个通孔与所述高压入口(19)和低压出口(20)之一通过管道导通; 
所述压电换能系统包括压电叠堆(22)、整流电桥和储能器,所述液压振动系统中液压缸(23)中活塞的简谐振动能够对压电叠堆(22)产生准简谐振动的压应力,在压电叠堆(22)的每一层引出上下电极,相互形成串联、并联和串并联电路之一并依次电性连接整流电桥和储能器。
2.根据权利要求1所述的汽车压电减振器发电系统,其特征在于:所述活塞杆附缸(6)和减振器缸筒(8)之间通过管道连接,并在该管道之间设有仅能够使油液从减振器缸筒(8)流向活塞杆附缸(6)的第二单向阀(7)。
3.根据权利要求1所述的汽车压电减振器发电系统,其特征在于:所述马达(18)为液压马达。
4.根据权利要求1所述的汽车压电减振器发电系统,其特征在于:所述液压振动系统中液压缸(23)中活塞的简谐振动能够对压电叠堆(22)产生准简谐振动的压应力的结构为:在液压缸(23)空腔内放置压电叠堆(22)并固定,并使活塞(21)与压电叠堆(22)之间形成一定的预压力。
5.根据权利要求1所述的汽车压电减振器发电系统,其特征在于:所述压电叠堆(22)是利用d33模式的正压电效应来转换能量的。
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