CN102887066A - 一种采用压电效应的能量收集车内节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，目的在于解决现有技术所存在的在汽车上利用压电材料产生电能时能量收集点过少，方式单一等技术问题，提供一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，它包括压电模块，储能装置，该系统还包括：收集电路，收集电路连接压电模块，用于将压电模块的交变电转换为直流电，并对电压进行检测；电压调理电路，切换电路，微处理器，压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板、座椅减震器、方向盘及车内开关上。

Description

一种采用压电效应的能量收集车内节能系统

技术领域

本发明涉及一种汽车节能技术，尤其涉及一种采用压电材料将驾驶时所施加的力和身体重力转换为电能从而节约车辆能源的车内节能系统。

背景技术

驾驶员在操控车辆时需要对方向盘上施加各种压力，每次按开关时也同样要施加力，踩油门、离合器、制动踏板等都必须施加力。随着压电材料应用技术的逐渐成熟，可以将这些力转换成电能，用于对车内电器供电，从而节约车辆能源。在现有技术中，有将压电材料放置在轮胎上，利用车轮转动期间施加到轮胎上压力使压电材料产生电能的技术方案，也有将压电材料放置在汽车发动机上，利用汽车发动机震动使压电材料产生电能等技术方案，但是都存在能量收集点单一、装置功能单一等不足。例如公开日为2005年04月06日、公开号为CN1603155A的专利文献公开了这样的技术方案：将压电装置置于汽车悬挂系统中,利用振动能量产生电能,并作为一种电力供应加以存储和利用，上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置又分别与储能装置或最终用电负载相连，该方案尤其对于电动汽车和混合动力汽车,所获得的电能可直接供动力电源使用等。该方案虽然将压电材料运用于汽车发动机悬挂系统中，对振动能量进行了有效利用，但是，仍存在对能量的收集点少，方式单一等不足。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的在汽车上利用压电材料产生电能时能量收集点过少，方式单一等技术问题，提供一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，它能够有效收集驾驶员驾驶操作时所产生的能量以及身体作用于座椅后的振动能量，并将这些能量转换为为电能供车内用电器使用，从而达到节约能源的目的。

本发明对现有技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，包括压电模块，储能装置，该系统还包括：

收集电路，收集电路连接压电模块，用于将压电模块的交变电转换为直流电，并对电压进行检测；

电压调理电路，用于将收集电路输出的直流电变换为适于对储能装置进行充电的直流电，储能装置输出端连接车内用电器；

切换电路，用于控制储能装置、车载蓄电池的输出；

微处理器，所述微处理器控制切换电路；

压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板、座椅减震器、方向盘及车内开关所在位置。

在驾驶车辆时做的最多的动作就是把握方向盘、踩油门、踩制动踏板、离合器，以及按压各种开关，通过在这些部位安装压电模块后就可将所付出的能量转化为电能供车内用电器使用，同时在车内座位减震器上安装压电模块就可以将乘员身体的重力作用转化为电能供车内用电器使用，该方案通过上述系统将这些能量加以收集转换为电能，存储在储能装置中，供车灯、音响、空调控制器等电器使用。在储能装置的剩余电量少于规定值时，微处理器就会将蓄电池切入为车内用电器供电。

作为优选，压电模块分为按压式压电模块、按键式压电模块、振动式压电模块，按压式压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板、方向盘上，按键式压电模块安装在车内开关所在位置，振动式压电模块安装在座椅减震器上。为尽可能多的产生能量又有合适的电压输出，采用多层压电薄膜并联的形式封装成为压电模块。按压式压电模块的封装形式，适合于安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板以及方向盘上；按键式压电模块的封装形式，适合于安装在车内开关的安装位置，可以作为触摸开关代替原机械开关；振动式压电模块的封装形式，适合于安装在座椅减震器上。

作为优选，每个按键式压电模块通过所述收集电路连接在微处理器的不同I/O接口上。每个按键式压电模块代表一个开关，通过收集电路连接在不同的I/O接口，微处理器鉴别开关位置、功能后发送指令到相应控制器去实现开关的控制功能，因此，按键式压电模块在产生电能同时也完成了开关功能。

作为优选，微处理器通过CAN总线连接整车控制器、车身控制器。微处理器通过CAN总线将有关指令发送到CAN总线所连接的控制器。

作为优选，收集电路包括充电整流桥，检测整流桥，电压比较器，充电整流桥用于对储能装置充电，检测整流桥输出连接电压比较器，电压比较器的输出用于对充电整流桥输出电压进行降压斩波控制。当充电整流桥的输出电压高于允许的最高充电电压时，降压斩波电路工作。降压斩波电路采用通用的DC-DC变换器电路。

作为优选，储能装置是锂电池，锂电池的输出端连接车内用电器。使用端电压与车载蓄电池电压相同的锂电池作为储能电池。

作为优选，锂电池的正极连接A/D转换器，在锂电池的输出回路中连接电流传感器，电流传感器的输出端连接A/D转换器，微处理器通过A/D转换器测量锂电池的剩余电量。当锂电池的剩余电量减少至规定值时，微处理器从锂电池切换到车载蓄电池为车内用电器供电。

作为优选，切换电路包括第一继电器，第二继电器，第一继电器控制锂电池的输出，第二继电器控制车载蓄电池的输出。第一继电器和第二继电器执行锂电池与车在蓄电池间的切换。

作为优选，微处理器还连接点火开关。如果在点火开关打到on档时，而锂电池电量少于30%，微处理器将电源切换到车载蓄电池为车内用电器供电，以保护锂电池免于过放电；如果点火开关打到off档，那么只要锂电池低于30%并且钥匙不在车内就停止对车内用电器供电，如果钥匙在车内，微处理器将电源切换至车载蓄电池给车内用电器供电。

本发明带来的有益效果是，将驾驶员或车内乘员在车内各个开关上、座椅减震器上所施加的力，以及驾驶员在油门踏板、制动踏板、方向盘上所施加的力，转化为电能为车内一些用电器所用，有效地节约了能源，也避免了由于驾驶员忘记关闭车内用电器而导致车载蓄电池使用寿命降低或电能耗尽等问题的发生，同时按键式压电模块可以代替车内部分机械开关，解决了机械开关寿命短可靠性不高等问题。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理图；

图2是本发明切换电路控制的一种流程框图。

图中：1是收集电路，2是检测整流桥，3是充电整流桥，4是压电模块，5是电压比较器，6是第二继电器，7是第一继电器，8是切换电路，9是I/O驱动，10是A/D转换器，11是微处理器，12是点火开关，13是整车控制器，14是车身控制器，15是钥匙电路，16是第一I/O接口。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例： 如图1所示，本发明是一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，包括压电模块，锂电池，压电模块分为按压式压电模块、按键式压电模块、振动式压电模块，按压式压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板、方向盘上，按键式压电模块安装在车内开关位置，振动式压电模块安装在座椅减震器上；

收集电路1的充电整流桥3和检测整流桥2的输入端连接压电模块，电压比较器5控制开关晶体管VG导通关断。在检测到有高于设定值的直流电压时，电压比较器5输出高电平，控制开关晶体管VG关断，此时由D1和L1组成的续流电路继续充电，从而达到降低充电电压的目的。每个压电模块（按压式压电模块或按键式压电模块或振动式压电模块）分别连接一个收集电路1，所有收集电路并联在A点（正极）、B点负极）；

每个按键式压电模块所连接的检测整流桥2正极连接一个I/O接口，供微处理器11判断是哪个开关被触动；

电压调理电路包括电压比较器5、开关晶体管VG、二极管D1和电感器L1，用于将充电整流桥输出的直流电进行变换，使过高的直流电压降低到适于对锂电池进行充电的直流电压；

切换电路8由第二继电器6、第一继电器7构成，用于控制锂电池与车载蓄电池间的切换；

微处理器11通过CAN接口连接到CAN总线，从而将开关信号发送至整车控制器13、车身控制器14，并进行锂电池电量检测、切换控制以及点火开关档位检测等；

车身控制器14通过钥匙电路15检测钥匙是否在车内，车身控制器14、整车控制器13接收微处理器11的开关指令实现相应开关控制功能。

压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板、座位减震器、方向盘及开关上。

压电材料产生电压的公式为

V=d33FAfp/Cp   （1）

Cp=                                               

r

olw/t   （2）

式中：d33为压电材料的压电常数；F为作用在压电材料表面的应力；Afp是作用力施加的区域；l,w和t分别是压电材料的长、宽和厚度；

r为压电材料的相对介电常数；

o为真空介电常数。 为使压电材料尽可能多的产生能量又不有合适的电压输出，采用多层压电薄膜并联的形式，分别封装成为按压式压电模块、按键式压电模块、振动式压电模块。按压式压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板以及方向盘上；按键式压电模块安装在车内开关的安装位置，振动式压电模块安装在座椅减震器上。

当踩踏油门踏板、制动踏板、离合器踏板、手握方向盘、操作车内开关以及座椅减震器振动时，在其上安装的压电模块产生电压通过各自的收集电路1对锂电池进行充电，出现过高充电电压时由电压调理电路调整后对锂电池充电。操作车内开关时按键式压电模块产生电压，通过充电整流桥3、电压调理电路对锂电池V1充电，同时检测整流桥2的电压信号通过I/O接口比如第一I/O接口送到微处理器11，微处理器11将该I/O接口代表的开关功能，以指令方式发送到CAN总线，通知相应控制器执行该开关动作实现开关功能。

图2所示为切换电路控制流程图，基本步骤包括：

步骤101，检测点火开关档位；

步骤102，点火开关如果为on档位，则转入步骤104，采集锂电池剩余电量，否则，转入步骤103；

步骤103，判断点火开关是否在off档位，在off档位则转入步骤108；

步骤108，判断车钥匙是否在车内，在车内则转入步骤104采集锂电池剩余电量；否则，转入步骤109停止供电；

步骤104，通过A/D转换器采集锂电池电压V1及电流传感器IS测量的电流，计算出锂电池剩余电量；

步骤105，判断锂电池剩余电量是否大于等于30%，大于等于30%则转入步骤107，继续使用锂电池供电，否则，转入步骤106进行电源切换；

步骤106，将供电电源由锂电池切换至车载蓄电池。

所以本发明具有将驾驶员或车内乘员在车内各个开关上、座椅减震器上所施加的力，以及驾驶员在油门踏板、制动踏板、方向盘上所施加的力，转化为电能为车内一些用电器所用，有效地节约了能源，也避免了由于驾驶员忘记关闭车内用电器而导致车载蓄电池使用寿命降低或电能耗尽等问题的发生，同时按键式压电模块可以代替部分机械开关等特征。

Claims (9)

1. 一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，包括压电模块，储能装置，其特征在于，该系统还包括：

收集电路，所述收集电路连接压电模块，用于将压电模块的交变电转换为直流电，并对电压进行检测；

电压调理电路，所述电压调理电路用于将收集电路输出的直流电变换为适于对储能装置进行充电的直流电，所述储能装置输出端连接车内用电器；

切换电路，用于控制储能装置、车载蓄电池的输出；

微处理器，所述微处理器控制切换电路；

所述压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板、座椅减震器、方向盘及车内开关上。

2.根据权利要求1所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：所述压电模块分为按压式压电模块、按键式压电模块、振动式压电模块，所述按压式压电模块安装在油门踏板、制动踏板、离合器踏板、方向盘上，按键式压电模块安装在车内开关所在位置，振动式压电模块安装在座椅减震器上。

3.根据权利要求2所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：每个按键式压电模块通过所述收集电路连接在微处理器的不同I/O接口上。

4.根据权利要求1或3所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：所述微处理器通过CAN总线连接整车控制器、车身控制器。

5.根据权利要求1所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：所述收集电路包括充电整流桥，检测整流桥，电压比较器，所述充电整流桥用于对储能装置充电，所述检测整流桥的输出连接电压比较器，电压比较器的输出用于对充电整流桥输出电压进行降压斩波控制。

6.根据权利要求1或5所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：所述储能装置是锂电池，锂电池的输出端连接车内用电器。

7.根据权利要求6所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：所述锂电池的正极连接A/D转换器，在锂电池的输出回路中连接电流传感器，所述电流传感器的输出端连接A/D转换器，微处理器通过A/D转换器测量锂电池的剩余电量。

8.根据权利要求1所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：所述切换电路包括第一继电器，第二继电器，所述第一继电器控制锂电池的输出，第二继电器控制车载蓄电池的输出。

9.根据权利要求1所述一种采用压电效应的能量收集车内节能系统，其特征在于：所述微处理器还连接点火开关。

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