CN105703661A - 一种压电发电式汽车供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电发电式汽车供电系统，包括压电薄膜堆和能量存储器，压电薄膜堆是由1层或多层压电薄膜层叠组成，所述压电薄膜堆封装在绝缘弹性保护套中置于汽车的外胎与内胎之间，并且紧贴汽车外胎的内表面，利用汽车行驶过程中产生的周期性压力而发电，并通过能量存储器转换后存储在能量存储器中，本发明的供电系统体积小、安装灵活，结构简单，节能环保，实现自供电，取代了笨重的蓄电池(电瓶)，大大减轻了汽车的负荷，增加了汽车行驶过程的灵活性和安全性。
Description
技术领域
本发明属于汽车供电系统研究技术领域，特别涉及一种压电发电式汽车供电系统。
背景技术
环境与发展是世界各国普遍关注的焦点问题，发展不仅是满足当代人的需要，还要考虑和不损害后代人的生存条件。因此，保护人类赖以生存的环境成为世界共同关心的问题。汽车作为现代最重要的交通工具，在方便人们出行的同时，也带来了许多弊端，汽车行驶给环境带来的污染就是主要的弊端之一，它通过排放的废气污染环境，在世界各国，汽车污染早已不是新的话题。汽车作为一个流动的污染源，随其数量越来越多、使用范围越来越广，它对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化，因此汽车污染日益成为全球性问题。为了人类的可持续发展，防治汽车污染已经成了刻不容缓的全球性问题，这就需要人类共同努力在科技创新、节能减排等方面来防治汽车污染。
目前汽车的车灯主要通过车内的蓄电池(电瓶)对它进行供电，而蓄电池则需要汽车的发动机对其进行供电，也就是说，汽车发动机既要为汽车行驶提供动力能源，又要为蓄电池提供能量以满足车灯的能源使用，这样就增加了内燃机的工作负荷，加大尾气的排放量，增加了环境的污染。
发明内容
为了克服现有汽车供电系统所用蓄电池所存在不足，本发明提供了一种可取代蓄电池供电并且节能环保、结构轻便能够实现自供电的压电发电式汽车供电系统。
本发明所采用的技术方案包括压电薄膜堆和能量存储器，所述压电薄膜堆是由1层或多层压电薄膜层叠组成，压电薄膜堆封装在绝缘弹性保护套中置于汽车的外胎与内胎之间，并且紧贴汽车外胎的内表面，并且每层压电薄膜的厚度为0.07～0.09mm，所述压电薄膜堆的电流输出端穿过绝缘弹性保护套通过导线与能量存储器的电流输入端连接，并可将压电薄膜堆受机械挤压或伸张所产生的电能存储在能量存储器中。
上述压电薄膜堆是紧贴在汽车外胎内表面并在同一圆周上均布的2～5块，每块压电薄膜堆的电流输出端通过沿车毂内表面布设的导线与能量存储器连接。
上述绝缘弹性保护套是橡胶材料制成，并且其厚度为0.5～1mm。
上述的压电薄膜是采用单晶PMN-PT/环氧1-3型复合材料制成，使压电转换效果更好。
上述能量存储器是由倍压整流电路和LTC3588-1压电能量收集电源、负载电阻R、蓄电稳压电容C10连接构成，其中：倍压整流电路的输出端与LTC3588-1压电能量收集电源的引脚PZ2以及负载电阻的输入端相连，负载电阻的输出端与LTC3588-1压电能量收集电源的引脚PZ1相连，蓄电稳压电容与LTC3588-1压电能量收集电源的输出端并联连接。
上述倍压整流电路是2～6倍放大的倍压整流电路，与压电薄膜的厚度相适应，提高电能转换效率。
上述负载电阻R的阻值为100～130kΩ，蓄电稳压电容C10的电容量是30～60μF。
本发明的压电发电式汽车供电系统，其是在汽车的外胎和内胎之间添加压电薄膜，利用汽车行驶过程中产生的周期性压力而发电，并通过能量存储器转换后存储在能量存储器中，可根据需要对汽车的照明或者仪表系统供电，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用了压电薄膜轻质柔顺，也可弯曲折叠，能承受长期、反复、高强度的冲击荷载作用，而不失效，大小尺寸、形状可随意剪裁，而不受任何限制，也不破坏结构，利用汽车行驶过程中产生巨大的周期性机械挤压或伸张而发电，通过电路转化技术将该电能输送给车灯，节能环保，实现自供电。
(2)本发明通过n倍倍压整流电路先对压电薄膜产生的低频、弱交流电信号进行放大后利用LTC3588-1的压电式能量收集电源芯片，集成了低损失全波桥式整流器和高效率降压型转换器，从而实现高效率转换、保证输出电压稳定。
(3)本发明的压电薄膜体积小、对汽车的车胎影响小，保证车胎的气压大小不受影响，确保汽车的行驶安全，此外，通过设置绝缘弹性保护套一方面保护压电薄膜受外力影响过大，影响其使用寿命，另一方面利用绝缘弹性保护套固定压电薄膜，防止其在内胎压力变小时在车胎内滑动。
(4)本发明的供电系统体积小、安装灵活，结构简单，可以取代笨重的蓄电池(电瓶)为汽车照明或仪表盘等供电，大大减轻了汽车的负荷，增加了汽车行驶过程的灵活性和安全性。
附图说明
图1为实施例1的供电系统的结构示意图。
图2为图1中能量存储器5的电路图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
由图1可知，本实施例的压电发电式汽车供电系统是由压电薄膜堆4、绝缘弹性保护套3以及能量存储器5组成。
具体是：本实施例的压电薄膜堆4是由3层长度为25cm、宽度为23cm、厚度为0.09mm的压电薄膜层叠构成，达到换能作用，本实施例的压电薄膜选用单晶PMN-PT/环氧1-3型复合材料制成，压电薄膜堆4封装在绝缘弹性保护套3中，其正、负电极延伸至绝缘弹性保护套3外，利用绝缘弹性保护套3对压电薄膜起到保护和辅助作用，该绝缘弹性保护套3的厚度为0.7mm，采用弹性较好的橡胶材料制成。该绝缘弹性保护套3是贴着汽车的外胎2内表面安装，即在汽车的外胎2与内胎1之间，压电薄膜堆4的正、负电流输出端子通过沿着车毂和车轮轴的导线与安装在汽车底盘上的能量存储器5的电流输入端连接，将所产生的电能存储在能量存储器5中，能量存储器5与汽车的照明系统连接，为照明系统供电。
本实施例的能量存储器5是由倍压整流电路5-1和LTC3588-1压电能量收集电源5-2、负载电阻R、蓄电稳压电容C10连接构成，参见图2，本实施例的倍压整流电路5-1是由电容C1～C6和整流二极管D1～D6按照极性相加的原理串接起来所形成的，将压电薄膜堆4所产生的高电压、低电流的交流电经倍压整流电路5-1后放大6倍。该倍压整流电路5-1的电压输出端与LTC3588-1压电能量收集电源5-2连接。
本实施例的LTC3588-1压电能量收集电源5-2是采用Linear公司产品，属于常用电路，其PZ2引脚与倍压整流电路5-1的电压输出端直接连接，PZ1引脚通过负载电阻R与倍压整流电路5-1的电压输出端相连，即PZ1引脚和PZ2引脚的两端并联负载电阻R起到分流作用，防止电流过大损坏芯片。本实施例的LTC3588-1的压电式能量收集电源中采用高能镍碳超级电容器C11，即一个电极采用电极活性碳电极，而另一个电极采用电容电极材料或电池电极，集镍氢电池能量密度和电容器功率密度优势于一身，实现了普通超级电容器与电池结合为一体，从而兼有一般超级电容器和蓄电池的优异性能。在LTC3588-1压电能量收集电源5-2的输出存储端上并联连接有一个蓄电稳压电容C10，用于保持有稳定的电压输出作用，防止负载过大对电路造成损坏。
本实施例的电容C1、C2、C3、C4、C5、C6均采用是16V，470μF的电容器，D1、D2、D3、D4、D5、D6均选用1N4004的二极管，负载电阻R为120kΩ，蓄电稳压电容C10选用60μF。
本发明的压电发电式汽车供电系统其工作原理是：当车轮碾压绝缘弹性保护套3对封装在绝缘弹性保护套3内的压电薄膜堆4产生振动，压电薄膜堆4在受到外部作用力时发生机械压缩与伸张，其机械能转换为电能，电能的形式是高电压、低电流的交流电，压电薄膜堆4经倍压整流电路5-1后电压放大n倍，放大后的电压输出端与引脚PZ1，PZ2相连，产生的交流电经LTC3588-1内部的全波桥式整流器整流直流电压输出，并给其输入存储端的电容C7充电，为了防止电流过大损坏芯片，在引脚PZ1，PZ2两端并联一个电阻R，起到分流作用，充电起始阶段，LTC3588-1的输入存储端的电容C7两端的电压较小，LTC3588-1芯片中的UVLO处于关闭状态，因此电容C7中的电能不能传送给后级而继续处于充电状态，C8、C9两个电容在DC/DC转换器进行开启和截止状态转换时，起到保持共轨电压稳定的作用，当C7两极的电压值达到UVLO的上限时，UVLO开启，C7作为DC/DC整流器的输入端，内部集成DC/DC整流器启动，并经过高效率集成迟滞降压型DC/DC转换器的降压作用后，输出直流电压，并给输出存储端的电容C11充电，当C7电容中的电压下降至UVLO的下限时，UVLO再次进入闭锁状态，DC/DC转换器与前级电路的连通回路被断开，输入存储端电容C7又开始进入单独充电状态以致达到UVLO的上限阈值，这个过程反复循环直到输出存储端的电容C11充满，为汽车的照明系统或仪表盘供电，取代常用蓄电池(电瓶)。
实施例2
本实施例的压电薄膜堆4是由4层厚度为0.08mm的压电薄膜层叠构成，达到换能作用，本实施例的压电薄膜选用单晶PMN-PT/环氧1-3型复合材料制成，压电薄膜堆4封装在绝缘弹性保护套3中，其正、负电极延伸至绝缘弹性保护套3外，利用绝缘弹性保护套3对压电薄膜起到保护和辅助作用，该绝缘弹性保护套3的厚度为1.0mm，采用弹性较好的橡胶材料制成。该绝缘弹性保护套3是贴着汽车的外胎2内表面安装，即在汽车的外胎2与内胎1之间。本实施例的压电薄膜堆4是分布在汽车外胎2内表面上的3块，其各自封装在绝缘弹性保护套3中，并且在汽车外胎2上均匀分布，每块压电薄膜堆4的正、负电流输出端子均是通过沿着车毂和车轮轴布设的导线与安装在汽车底盘上的能量存储器5的电流输入端连接，将所产生的电能存储在能量存储器5中，能量存储器5与汽车的照明系统连接，为照明系统供电。
本实施例的能量存储器5是由倍压整流电路5-1和LTC3588-1压电能量收集电源5-2、负载电阻R、蓄电稳压电容C10连接构成，本实施例的倍压整流电路5-1是由电容C1～C3和整流二极管D1～D3按照极性相加的原理串接起来所形成的，将压电薄膜堆4所产生的高电压、低电流的交流电经倍压整流电路5-1后放大3倍。该倍压整流电路5-1的电压输出端与LTC3588-1压电能量收集电源5-2连接。
本实施例的LTC3588-1压电能量收集电源5-2是采用Linear公司产品，属于常用电路，其PZ2引脚与倍压整流电路5-1的电压输出端直接连接，PZ1引脚通过负载电阻R与倍压整流电路5-1的电压输出端相连，即PZ1引脚和PZ2引脚的两端并联负载电阻R起到分流作用，防止电流过大损坏芯片。在LTC3588-1压电能量收集电源5-2的输出存储端上并联连接有一个蓄电稳压电容C10，用于保持有稳定的电压输出作用，防止负载过大对电路造成损坏。本实施例的电容C1、C2、C3均采用是16V，470μF的电容器，D1、D2、D3均选用1N4004的二极管，负载电阻R为100kΩ，蓄电稳压电容的电容量是30μF。
其他的部件均与实施例1相同。
实施例3
本实施例的压电薄膜堆4是由6层厚度为0.07mm的压电薄膜层叠构成，达到换能作用，压电薄膜堆4封装在绝缘弹性保护套3中，其正、负电极延伸至绝缘弹性保护套3外，利用绝缘弹性保护套3对压电薄膜起到保护和辅助作用，该绝缘弹性保护套3的厚度为0.5mm，采用弹性较好的橡胶材料制成。该绝缘弹性保护套3是贴着汽车的外胎2内表面安装，即在汽车的外胎2与内胎1之间。本实施例的压电薄膜堆4是分布在汽车外胎2内表面上的5块，其各自封装在绝缘弹性保护套3中，并且在汽车外胎2上均匀分布，每块压电薄膜堆4的正、负电流输出端子均是通过沿着车毂和车轮轴布设的导线与安装在汽车底盘上的能量存储器5的电流输入端连接，将所产生的电能存储在能量存储器5中，能量存储器5与汽车的照明系统连接，为照明系统供电。
本实施例的能量存储器5是由倍压整流电路5-1和LTC3588-1压电能量收集电源5-2、负载电阻R连接构成，本实施例的倍压整流电路5-1是由电容C1～C4和整流二极管D1～D4按照极性相加的原理串接起来所形成的，将压电薄膜堆4所产生的高电压、低电流的交流电经倍压整流电路5-1后放大4倍。该倍压整流电路5-1的电压输出端与LTC3588-1压电能量收集电源5-2连接。
本实施例的LTC3588-1压电能量收集电源5-2是采用Linear公司产品，属于常用电路，其PZ2引脚与倍压整流电路5-1的电压输出端直接连接，PZ1引脚通过负载电阻R与倍压整流电路5-1的电压输出端相连，即PZ1引脚和PZ2引脚的两端并联负载电阻R起到分流作用，防止电流过大损坏芯片。
本实施例的电容C1、C2、C3、C4均采用是16V，470μF的电容器，D1、D2、D3、D4均选用1N4004的二极管，负载电阻R为130kΩ。
其他的部件均与实施例1相同。
上述实施例中蓄电稳压电容C10的电容量可以在30～60μF之间根据实际应用调整，所用电容、电阻以及LTC3588-1压电能量收集电源5-2的输出电压大小均可根据实际压电薄膜的大小进行调整。
Claims (7)
1.一种压电发电式汽车供电系统，包括压电薄膜堆(4)和能量存储器(5)，其特征在于所述压电薄膜堆(4)是由1层或多层压电薄膜层叠组成，所述压电薄膜堆(4)封装在绝缘弹性保护套(3)中置于汽车的外胎(2)与内胎(1)之间，并且紧贴汽车外胎(2)的内表面，并且每层压电薄膜的厚度为0.07～0.09mm，所述压电薄膜堆(4)的电流输出端穿过绝缘弹性保护套(3)通过导线与能量存储器(5)的电流输入端连接，并可将压电薄膜堆(4)受机械挤压或伸张所产生的电能存储在能量存储器(5)中。
2.根据权利要求1所述的压电发电式汽车供电系统，其特征在于：所述压电薄膜堆(4)是紧贴在汽车外胎(2)内表面并在同一圆周上均布的2～5块，每块压电薄膜堆(4)的电流输出端通过沿车毂内表面布设的导线与能量存储器(5)连接。
3.根据权利要求1所述的压电发电式汽车供电系统，其特征在于所述绝缘弹性保护套(3)是橡胶材料制成，并且其厚度为0.5～1mm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的压电发电式汽车供电系统，其特征在于所述的压电薄膜是采用单晶PMN-PT/环氧1-3型复合材料制成。
5.根据权利要求4所述的压电发电式汽车供电系统，其特征在于所述能量存储器(5)是由倍压整流电路(5-1)和LTC3588-1压电能量收集电源(5-2)、负载电阻R、蓄电稳压电容C10连接构成，其中：
所述倍压整流电路(5-1)的输出端与LTC3588-1压电能量收集电源(5-2)的引脚PZ2以及负载电阻的输入端相连，负载电阻的输出端与LTC3588-1压电能量收集电源(5-2)的引脚PZ1相连，蓄电稳压电容与LTC3588-1压电能量收集电源(5-2)的输出端并联连接。
6.根据权利要求5所述的压电发电式汽车供电系统，其特征在于所述倍压整流电路(5-1)是2～6倍放大的倍压整流电路。
7.根据权利要求5所述的压电发电式汽车供电系统，其特征在于所述负载电阻R的阻值为100～130kΩ，蓄电稳压电容C10的电容量是30～60μF。
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- 2016-03-30 CN CN201610191240.3A patent/CN105703661A/zh active Pending
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