CN103166503B - 一种用于公交车的压电俘能装置 - Google Patents

Abstract

本发明用于公交车的压电俘能装置包括多个压电振子的悬臂梁采用水平方向并排的形式；悬臂梁的一端共用一个质量块(3)，该质量块与一个杠杆(5)连接，质量块用于增大压电振子的惯性并传递应力，杠杆将振动引出；压电陶瓷片(2)位于悬臂梁基体(1)上下两侧，压电陶瓷片(2)与基体(1)之间采用导电胶粘贴，用于将环境中微弱的机械能转化为电能；压电储能装置由降压电路、整流电路、滤波电路和保护电路组成，经压电振子产生的不稳定电流通过各段调整电路，得到稳定直流电供负载使用或储存起来。本发明储存的能量可供公交车检测器、电子显示路牌、无人售票装置、前后电视检测系统等小功率仪器使用，达到节能效果且装置结构简单。

Description

一种用于公交车的压电俘能装置

技术领域

本发明属于电技术领域，特别是涉及一种可以从环境振动中俘获能量、并有效地将所俘获的能量储存到充电电池的压电俘能装置，适用于诸如需要通过采集周围环境振动进行能量补充的应用场合。

背景技术

在我国，公交车辆是城市交通的主力军，承担市区绝大部分的客运量。“十一五”期间，国务院确定的七大战略新兴产业中，明确现阶段新能源汽车产业的发展重点是电动汽车及混合动力汽车。我国新近已按照“十二五”规划、863计划、科技支撑计划安排了新能源汽车领域研发项目39个，重点支持研发自主知识产权的新能源汽车车型及动力电池等关键技术。对于纯电动公交车，满足零排放却存在行驶完全依赖电池的能量，对电池要求较高，造价贵，续驶里程较短缺陷，而发展停滞。而混合动力电动汽车，油-电混合的混合动力电动汽车的生命周期至少有30年，若考虑使用清洁燃料，具有良好的商业前景。

道路的建设伴随着城市的发展，人流量的不断扩大，使得公交车质量变化大、颠簸严重；公交车不断改进，安装如空调控制系统、智能化监控系统、语音报站系统、GPS定位导航系统等耗电量装置；如此充分利用公交车的振动能量，通过杠杆机构的放大原理、电路的控制功能，把微弱振动的能量转化为电能储存起来，对公交车系统的节能降振有指导意义。

近年来，国内外的压电俘能技术已经取得了一定的进展。Umeda等用一个自由落体的钢球冲击表面粘有压电晶片的金属板，提出了能把机械能转换为电能的模型，同时对利用整流桥和电容搭建的存储电路进行了转换效率方面的研究(UmedaM.,NakamuraK.andUehaS.，AnalysisoFtheTransformationofMechanicalImpactEnergytoElectricalEnergyUsingaPiezoelectricVibrator[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics,1996，Vol.35,Part1,No.5B,May,pp.3267-3273.)；利用公路路面振动能量的压电发电方法，已经研制出道路灯具系统(曹秉刚，高振华，徐键，宋振平，梁晋.利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统.申请号：200510041603.7[P].2005.)；法国原子能委员会的科学家表示，他们已研究出了一种在雨滴撞击下产生电压的压电材料，通过雨滴来获取能量(http://www.chinapower.com.cn/newsarticle/1064/new1064505.asp)。国内也对这一领域展开研究。吉林大学程光明等，设计并制作了一套压电陶瓷发电能力的测试系统，对压电陶瓷的发电性能进行了测试与研究，在104Hz的激励频率下，最大输出电压为2.5V(程光明,庞建志，唐可洪.压电陶瓷发电能力测试系统的研制.吉林大学学报(工学版).2007(02))；中南大学陈子光等理论研究了压电陶瓷圆柱壳的扭转振动，可将旋转机械能转换为电能，并获得了压电陶瓷圆柱壳俘能器输出电压、输出电流、效率及输出功率密度的解析表达式，所得结论对优化俘能器有重要意义(陈子光,胡元太,杨嘉实.基于扭转模态的角振动压电俘能器研究，应用数学和力学，2007(06))。这些实验大多还都停留在理论研究中，一些应用型压电俘能装置产生的能量很小，实施过程仍存在些许困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单的可用于公交车的压电俘能装置，该压电俘能装置将公交车行驶过程中产生的振动能量转换为可利用的电能，并将电能储存到可充电电池中，供公交车附件系统使用。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明提供的用于公交车的压电俘能装置，其包括：多个压电振子的悬臂梁采用水平方向并排的形式；悬臂梁的一端共用一个质量块，该质量块与一个杠杆连接，质量块用于增大压电振子的惯性并传递应力，杠杆将振动引出；压电陶瓷片位于悬臂梁基体上下两侧，压电陶瓷片与基体之间采用导电胶粘贴，用于将环境中微弱的机械能转化为电能；压电储能装置由降压电路、整流电路、滤波电路和保护电路组成，经压电振子产生的不稳定电流通过各段调整电路，得到稳定直流电供负载使用或储存起来；该压电俘能装置的振动俘获由压电振子基体和压电陶瓷共同来完成，且压电振子的各个悬臂梁之间的振动是同步的。

所述质量块与杠杆之间采用连接件相连。

所述降压电路、整流电路、滤波电路和保护电路均为稳压驱动。

所述降压电路由并联的两个相同电容构成，将电压限定在负载工作范围内。

所述的整流电路采用全波桥式整流方式，利用半导体二极管的单向导电性能，把压电振子产生的交流电变成单向脉动直流电。

本发明采用电容滤波电路，利用电感与电容滤除一定范围的电流，脉动直流电通过滤波电路，使脉动直流趋于平稳。

本发明用于公交车的压电俘能装置的输出端设置保护电路，由晶闸管和电阻组成，限制电流大小，用来保护用电器。所述用电器可以为小功率照明产品。

本发明提供的上述用于公交车的压电俘能装置，其用途是：利用压电陶瓷的压电效应，在公交车行驶过程中，车体振动带动连杆上下运动，由杠杆引出并通过质量块作用于压电振子，产生电荷；通过稳压驱动电路，获得电能为低压电能，可供公交车使用或被电池储存起来。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.压电振子基体采用悬臂梁方式夹持，弯曲变形主要集中在中间部分；压电振子基体末端夹持有质量块增大弯曲变形；各个压电振子基体之间采用并联方式，增大压电俘能装置能量的输出。

2.压电俘能装置的振动俘获由压电振子来完成；多个压电振子的悬臂梁采用水平方向并排的形式，其中压电振子的各个悬臂梁之间的振动是同步的。

3.每个压电振子基体上下两个陶瓷片采用串联连接的形式，串联方式使正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消；则输出的总电荷等于单片电荷，而输出电压为单片电压的二倍，总电容为单片电容的一半。

4.压电振子之间采用并联的工作模式，增加压电俘能装置整体的输出能量。

5.采用了杠杆机构，是车身与压电振子基体之间的桥梁；杠杆具有引出车桥的振动，传递能量，还起到调整振动振幅作用。

6.电路体积小、成本低；电源功率因数偏低，但特别适合低端照明设备应用。

7.整套压电俘能装置结构简单：由三部分组成，压电振子基体的俘能，杠杆机构的引出作用，电路驱动部分；各部分之间由简单的连接件，柱梢，连杆连接传递能量形式。

8.应用广：凡是达到一定振动能量的地方都可以将其微弱的振动机械能俘获，并转换为电能供小功率电子产品使用或储存起来。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明压电振子水平并排工作形式示意图。

图3是本发明单片压电振子的结构示意图。

图4是本发明电路连接示意图。

图5是公交车二自由度1/4振动模型。

图6是公交车行驶时上下振动的时间—位移数学建模波形。

图中：1.压电振子基体；2.压电陶瓷片；3.质量块；4.连接件；5.杠杆；6.柱梢；7.连杆；8.固定点；9.车身上固定端；10.弹性振子；11.公交车的簧上部分；12.阻尼系统；13.公交车的簧下部分。

具体实施方式

本发明提供的用于公交车的压电俘能装置，由连杆将车桥的振动通过杠杆引出，作用于压电振子，压电陶瓷受力变形产生电荷，由控制电路将微弱的机械能转换为电能。本发明还给出了一种压电俘能装置的实用方式，通过采集周围环境振动进行能量补充。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明的内容。

本发明提供的用于公交车的压电俘能装置，其结构如图1和图2所示，包括压电储能装置、压电振子基体1、压电陶瓷片2、质量块3、杠杆5、连杆7和车身上固定端9。

本发明的压电俘能装置由多个压电振子悬臂梁采用水平方向并排的工作模式，该装置的振动俘获由压电振子基体和粘贴于其上的压电陶瓷共同来完成；且压电振子基体的各个悬臂梁之间的振动是同步的。所述悬臂梁的一端共用一个质量块3，质量块3与杠杆5连接。

所述杠杆5主要完成振动的引出和传递过程。所述每个压电振子的上下两个陶瓷片采用串联连接的形式，各个压电振子之间采用并联连接。

所述压电振子基体1由磷青铜板切割而成，采用70×50的0.2mm厚的基体。每个压电振子基体1的两端均为夹持端，其中一端为运动端由质量块3夹持，另一端固定在车身上固定端9上。运动端的运动方向为压电振子基体1的高度方向，固定夹持端限制其宽度方向的自由度。在运动端的压电振子基体的上下两侧各设置一个相同的质量块3，用螺栓把基体1和质量块3固定连接，连接件4与杠杆5固定连接。所述质量块3可以提高运动端的惯性，以增强俘能效果；其中每个质量块重为25-50g。

所述压电陶瓷片2位于压电振子基体1上下两侧，压电陶瓷片2与压电振子基体1之间采用导电胶粘贴，用于将环境中微弱的机械能转化为电能。

所述压电陶瓷片2由50×50的0.2mm厚的PZT-5H压电材料制成，工作模式为d31模式；该压电陶瓷片2用导电胶粘结在压电振子基体1上。在粘贴前需要用酒精清洗，保持压电振子基体表面无异物。导电胶的厚度应保持在0.1mm内。并在压电陶瓷片2上下引出正负极。

所述质量块3与杠杆5之间采用活动连接，质量块3用于增大压电振子的惯性并传递应力，杠杆5将振动引出。所述质量块3与连接件4之间可以采用钎焊焊接。

所述连接件4为两个90°金属弯头，两端有长短之分，长端与质量块3焊接在一起；短端与杠杆5采用柱销连接，柱销6直径为4mm。

所述杠杆5与连杆7之间采用柱梢6连接，柱梢6直径为4mm。

所述连杆7与车桥通过柱销6相连，其中连杆7在由杠杆与连杆构成的面内主要做上下方向的运动，另外还存在一定程度的左右摆动。

所述固定点8为杠杆5的支点，其通过柱销6与车体相连装；该支点位于杠杆的1/5处，支点偏离压电振子基体1方向的杠杆较长。

所述车身上固定端9为车体部分，夹持压电振子基体1的固定端，该压电振子基体1的固定端通过夹持块与车体焊接在一起。

所述压电储能装置，其结构如图2所示，包括降压电路、整流电路、电容滤波电路和保护电路组成；其作用是将电能提取、功率调理后供公交车使用或累积储存。该小型压电储能电路可以安装在车体内有足够空间的位置。

所述降压电路的降压的电容由C≥I/2πfU确定，其中I为负载电流，U计算时取负10％，f取产电的平均频率50Hz，取C＝4.7uF,其作用是将电压限定在负载工作范围内。

所述的整流电路采用全波桥式整流方式，利用常用的4个整流二极管IN4007(U＝1000V,I＝1A)组成整流桥，把压电振子陶瓷片2产生的交流电变成单向脉动直流电。

所述电容滤波电路，为使输出端得到平滑的负载电压，取RC≥(3～5)T/2，其中R为负载阻抗，T为输入信号周期(0.02s)，取C＝47uF；为得到更平滑的输出电压，选取50uH的线绕电感与47uF的滤波电容滤除一定范围的电流，脉动直流电通过滤波电路，使脉动直流趋于平稳。

所述压电储能装置的输出端设置保护电路，该保护电路由单向晶闸管VT1和两个电阻R₁、R₂组成，晶闸管采用Motorola公司的MCR729-10.R₂为单向晶闸管提供触发偏执电压，R₂的选取至关重要，R₂≤U_GT/(Ix4),U_GT为触发电压0.8V，I为干路电流，取R₂＝10欧姆；保护电路用来限制电流不能超过其规格稳定值，从而保护用电器(Ф4.8水透明草帽灯珠)。

所述Led灯珠焊接于6x6的万能电路板上。

本发明采用的逻辑计算方法，其中假设汽车上下震动的函数:

$\begin{array}{cc}{X}_2\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{{(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}})}^2+{\left(2\mathrm{\ξ}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\right)}^2}}\frac{F_o}{k}sin(\mathrm{\ω}t-\mathrm{\Φ})& {\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{k}{m}}\end{array}$

假设公交车上下振动的加速度a为1.5m/s；公交车的质量m为22500kg；则公交车振动产生的作用力为F₀＝ma＝22500×1.5＝33750N。

根据资料查得：公交车弹性系数k＝13600～218000N/m；阻尼比错误！未找到引用源。＝800～12100N·S/m；频率比而固有频率角差值:

所述公交车二自由度1/4振动模型，其结构如图5所述，包括弹性振子10、公交车的簧上部分11、阻尼系统12、公交车的簧下部分13。

所述公交车二自由度1/4振动模型，其中杠杆5与公交车的簧上部分11相连接，造成公交车悬架的振动频率发生变化；由于连接的杠杆5相对于车的弹性振子10和阻尼系统12而言，所受的力并不大，则可以假设公交车的固有频率不变。

所述公交车悬架包括弹性元件和减震元件，其中：弹性元件是公交车二自由度1/4振动模型(图5)中的弹性振子10，其弹性系数k＝13600～218000N/m，起缓冲作用。减震元件是公交车二自由度1/4振动模型阻尼系统12，其阻尼比ξ＝800～12100N·S/m，起减震作用。

所述公交车二自由度1/4振动模型(图5)中的簧上部分11，包括车身车架，底盘总成，座椅，车门等部件。

所述公交车二自由度1/4振动模型(图5)中的簧下部分13由前桥、后桥和轮胎等部件。

所述压电发电装置获得能量的逻辑计算方法：其中外加电场为0，由外力单独作用时可由公式计算出产生的电荷量；再根据压电振子的自由电容及电荷与电压的关系Q＝CV得到压电振子开路电压根据电能计算公式即可得到本发明压电俘能装置获得的电能 $U_g\left(F\right)=\frac{9(1-\mathrm{\α})(1+{\mathrm{\α}}^2)k_{31}^2{L}^3}{2{\mathrm{ABE}}_P{\mathrm{Wh}}^3}{F}^2.$

本发明提供的用于公交车的压电俘能装置，其工作过程是：参见图1，公交车行驶过程中，车桥传递车架(或承载式车身)与车轮之间各个方向的作用力及其力矩。通过连杆7与杠杆和车身相连接，引出车振动并作用于压电振子。以悬臂梁为夹持形式的压电振子，在作用力下产生变形，即有电荷产生；质量块的存在增加了振子的变形，有利俘能，且使杠杆与压电振子更容易连接。产生的电荷通过陶瓷片中间两电极流出，经过控制电路的整理，将电能调理供公交车直接使用或累积储存。

本发明提供的用于公交车的压电俘能装置：通过在公交车上利用微型压电双晶俘能装置，让微弱振动能量转换为可以利用的电能，并将电能储存到可充电池中备用，由少集多，最终达到节能效果。

Claims (8)

1.一种用于公交车的压电俘能装置，其特征在于该压电俘能装置包括：多个压电振子的悬臂梁采用水平方向并排的形式；悬臂梁的一端共用一个质量块（3），该质量块与一个杠杆（5）连接，质量块用于增大压电振子的惯性并传递应力，杠杆将振动引出；压电陶瓷片（2）位于悬臂梁基体（1）上下两侧，压电陶瓷片（2）与基体（1）之间采用导电胶粘贴，用于将环境中微弱的机械能转化为电能；压电储能装置由降压电路、整流电路、滤波电路和保护电路组成，经压电振子产生的不稳定电流通过各段调整电路，得到稳定直流电供负载使用或储存起来；该压电俘能装置的振动俘获由压电振子基体和压电陶瓷共同来完成，且压电振子的各个悬臂梁之间的振动是同步的。

2.根据权利要求1所述的用于公交车的压电俘能装置，其特征在于所述质量块（3）与杠杆之间采用连接件（4）相连。

3.根据权利要求1所述的用于公交车的压电俘能装置，其特征在于所述降压电路、整流电路、滤波电路和保护电路均为稳压驱动。

4.根据权利要求1所述的用于公交车的压电俘能装置，其特征在于所述降压电路由并联的两个相同电容构成，将电压限定在负载工作范围内。

5.根据权利要求1所述的用于公交车的压电俘能装置，其特征在于所述的整流电路采用全波桥式整流方式，利用半导体二极管的单向导电性能，把压电振子产生的交流电变成单向脉动直流电。

6.根据权利要求1所述的用于公交车的压电俘能装置，其特征在于采用电容滤波电路，利用电感与电容滤除一定范围的电流，脉动直流电通过滤波电路，使脉动直流趋于平稳。

7.根据权利要求1所述的用于公交车的压电俘能装置，其特征在于输出端设置保护电路，由晶闸管和电阻组成，限制电流大小，用来保护小功率照明的用电器。

8.一种如权利要求1至7中任一权利要求所述的用于公交车的压电俘能装置的用途，其特征在于利用压电陶瓷的压电效应，在公交车行驶过程中，车体振动带动连杆上下运动，由杠杆引出并通过质量块作用于压电振子，产生电荷；通过稳压驱动电路，获得电能为低压电能，可供公交车使用或被电池储存起来。