CN105790404B - 一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，其特征是设置压电俘能器，用于收集汽车发动机的无效振动能量并转化为电能作为压电俘能器的输出电压；充电保护电路用于接收并检测来自压电俘能器的输出电压，滤除输出电压中的高电压和过低电压后产生交流输出信号，经电路控制系统和脉冲转化器，以脉冲信号对汽车蓄电池进行充电。本发明用于获取汽车行车过程中发动机的无效振动能量，可有效提高汽车能量的利用率，能够高效、安全且稳定地为蓄电池进行充电。

Description

一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置

技术领域

本发明涉及一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，属于汽车能量利用领域。

背景技术

随着我国汽车保有量的剧增，汽车能源消耗不断增加，汽车能量的高效利用正成为人们关注的焦点。

发动机振动主要表现形式为外部振动。发动机外部振动主要是由于活塞往复运动产生的惯性力，以及曲柄回转运动产生的离心力引起的发动机整体的振动。发动机振动不仅会损伤内部零件，缩短自身寿命，还会导致输出功率下降、乘坐舒适性降低。

发动机外部振动的减振方式最常用的是发动机悬置系统，该系统能承受动力总成的重量和来自发动机扭矩的作用力，同时吸收路面的冲击和抑制发动机启动时的摇摆。常见的悬置系统有橡胶悬置、液压悬置、半主动和主动悬置。

压电材料是一种当压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，可实现机械振动和交流电的互相转换，且结构形式多样，体积节约空间，具有较高的能量密度、结构简单、易于系统集成，可将其用于发动机振动能量的回收。

虽然利用悬置系统能很好地减少发动机外部振动，但是这些振动能量大多是以热能的形式消散，没有得到充分的回收利用。当前许多研究利用压电材料收集汽车的振动能量，并将其转化为电能，既回收了能量，又增强了减振性能。例如，中国专利申请CN200910063679.8公开的“一种利用车辆行驶时的振动能进行发电的装置”，利用安装在车辆减振弹簧伸缩端的发电装置发电，但是所述方案需要安装较复杂的发电装置，并且能量转化率较低；中国专利申请201310023006.6公开的“一种汽车车身结构压电主被动混合抑振方法”，利用汽车车身壁板的振动结合控制算法实现车身结构的主被动混合控制，但是所述方案需要较复杂的控制系统，所需复合材料成本高，并且车身振动频率低，能量利用效果差；中国专利申请201520142879.3公开的“汽车悬架系统压电阻尼装置”，则利用压电板与弹簧振子构成力电耦合系统，将吸收的振动能量转化成电能加以存储，其充电电路主要由桥式整流电路、滤波电路，加上稳压电路组成。其作用是将压电俘能器上产生的交流电转化成直流电，并将电压加以限制后输出给蓄电池。但是，将压电俘能器安装与车架与车桥之间的悬架位置上的方式，由于悬架振动频率低，不能保证压电俘能器持续输出交变电流；而且，电路缺少保护，电路元件会由于瞬时电压过大而烧毁，或由于电压过小导致元件的利用率降低。

因此，现有研究存在以下缺点：

1、振动源振动频率低，汽车无效振动的能量转化率低，不能有效供给蓄电池充电。

2、压电俘能充电电路缺少保护措施，过大或过小的瞬时电压会造成电路元件的损坏，电路系统的安全性较差。

3、利用振动能量给汽车蓄电池充电的充电方式多采用直流充电，充电效率低，而且，电解质在电极附近堆积，对电极板有强烈的腐蚀作用，造成电极损坏，电池寿命降低。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，首先，采用压电俘能器收集发动机振动能量；然后，通过电路控制系统将交变电转换为直流电；最后，设置脉冲转化器将直流电变为输出频率稳定的脉冲电，利用正负脉冲充电的形式为汽车蓄电池充电，并在电路中设置保护电路，在检测电路输入电压的同时滤去高电压和过低电压，避免电路产生高热，实现对电路元件的保护。通过获取汽车行车过程中发动机的无效振动能量，高效、安全、稳定地为蓄电池充电。

本发明为解决所述技术问题采用如下技术方案：

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的结构特点是：

压电俘能器，用于收集汽车发动机的无效振动能量并转化为电能作为压电俘能器的输出电压；

充电保护电路，用于接收并检测来自所述压电俘能器的输出电压，滤除所述输出电压中的高电压和过低电压后产生交流输出信号，并输出至后续电路控制系统；

所述电路控制系统，用于接收来自所述充电保护电路的交流输出信号，经变压、整流、滤波和稳压以直流信号输出；

脉冲转化器，用于接收来自所述电路控制系统的直流信号，通过电压特性调整输出脉冲信号，以所述脉冲信号对汽车蓄电池进行充电。

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的特点也在于：所述压电俘能器包括环形压电陶瓷和片形压电陶瓷，所述环形压电陶瓷安装在发动机前悬置系统中，所述片形压电陶瓷安装在发动机后悬置系统中；所述环形压电陶瓷和片形压电陶瓷是以压电陶瓷材料PZT为材质。

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的特点也在于：所述环形压电陶瓷粘接在发动机前悬置系统中前置橡胶主簧与金属骨架之间；所述片形压电陶瓷粘接在发动机后悬置系统中后置橡胶主簧金属基座之间。

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的特点也在于：所述充电保护电路包括分压电阻R1、稳压二极管D1和D2、二极管D3和D4，以及直流电源V1和V2；变压器T的初级端的端点a与电阻R1的一端相连接，变压器T的初级端的端点b与压电俘能器的一端连接，所述分压电阻R1的另一端与所述压电俘能器的另一端连接，形成分压电阻R1与压电俘能器的串联连接；稳压二极管D1的阴极接端点a，稳压二极管D1的阳极与稳压二极管D2的阳极相连接，稳压二极管D2的阴极与二极管D3的阳极以及直流电源V2的负极共同连接，二极管D3的阴极接直流电源V1的正极，直流电源V2的负极与二极管D4的阳极共同接入所述端点b，二极管D4的阴极接直流电源V2的正极，以所述变压器T的次极端的端点c和端点d的输出信号作为后续电路控制系统的输入信号。

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的特点也在于：所述电路控制系统包括二极管D5、D6和D7，电容C1、C2、C3、C4和C5、输出电阻R2以及三端稳压器W；所述变压器T的次级端的端点c与二极管D5的阴极及电容C1的一端共同连接，二极管D5的阳极与二极管D6的阴极、电容C2以及电容C3的一端共同连接，二极管D6的阳极与电容C1的另一端以及二极管D7的阴极共同连接，电容C3的另一端与二极管D7的阳极、电容C4的一端以及三端稳压器W的第一端口共同连接，三端稳压器W的第二端口与电容C5的一端及输出电阻R2的一端共同连接至端点f，输出电阻R2的另一端与电容C4的另一端、电容C5的另一端以及三端稳压器W的第三端口共同连接至端点e，端点d和端点e接地，以端点e和端点f的输出信号作为后续脉冲转化器的输入信号。

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的特点也在于：设置所述脉冲转化器的一个脉冲周期为1080毫秒，占空比为0.898。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用压电俘能器俘获汽车发动机的无效振动能量，避免了振动能量以其它形式损失，提高了振动能量的利用率；发动机振动频率高，保证了振动能量吸收过程的连续，提高了能量转化率，应用前景好。

2、本发明采用充电保护技术，解决了充电过程中压电俘能器产生的电压过大或过小的问题，避免了电路高热引发的电子元件损坏，改善了电路系统的安全性。

3、本发明利用正负脉冲充电形式给蓄电池充电，此脉冲充电使蓄电池在一个脉冲周期内有970毫秒左右的较充分的正向充电时间，使占空比达到0.898，蓄电池的充电效率达到90％以上；通过加入充、放电时间比为19～22的反向放电脉冲，使蓄电池的充电时间比普通恒流形式充电时更短，同时避免了由于充电时间过长造成的过度充电，减少了对电极板的腐蚀，延长了蓄电池寿命。

附图说明

图1为本发明装置整体安放示意图；

图2为本发明中汽车悬置系统放置位置示意图；

图3为本发明中前悬置压电俘能器放置方式示意图；

图4为本发明中前悬置压电俘能器安装位置剖视图；

图5为本发明中后悬置压电俘能器放置方式示意图；

图6为本发明中蓄电池的充电电路原理图；

图中标号：1压电俘能器，2充电保护电路，3电路控制系统，4脉冲转化器，5汽车蓄电池，6汽车发动机，7金属插入面，8前置橡胶主簧，9金属骨架，10环形压电陶瓷，11金属基座，12后置橡胶主簧，13片形压电陶瓷，14金属连接部，15发动机前悬置系统，16发动机后悬置系统。

具体实施方式

图1和图2所示为目前常用的三点支承悬置系统，其中，发动机前悬置系统15采用液压悬置系统，其为圆柱体结构；发动机后悬置系统16采用橡胶悬置系统，其为立方体结构。其三点支承的悬置形式安装在汽车发动机6与车身之间，能在减少材料成本的原则下最大程度地满足发动机的稳定隔振要求，且悬置系统不以单一系统设置，体现了本发明装置中压电俘能器广泛的适用性。

由图1和图2所示的一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的结构形式是：

压电俘能器1用于收集汽车发动机6的无效振动能量并转化为电能作为压电俘能器1的输出电压，放置在悬置系统中的多个压电俘能器1均为并联连接方式；充电保护电路2用于接收并检测来自压电俘能器1的输出电压，滤除输出电压中的高电压和过低电压后产生交流输出信号，并输出至后续电路控制系统3；电路控制系统3用于接收来自充电保护电路2的交流输出信号，经变压、整流、滤波和稳压以直流信号输出；脉冲转化器4用于接收来自电路控制系统3的直流信号，通过电压特性调整输出脉冲信号，以脉冲信号对汽车蓄电池5进行充电。

参见图3、图4和图5，本实施例中压电俘能器1包括环形压电陶瓷10和片形压电陶瓷13，环形压电陶瓷10安装在发动机前悬置系统15中，片形压电陶瓷13安装在发动机后悬置系统16中；环形压电陶瓷10的一侧与发动机前悬置系统15中前置橡胶主簧8相连接，另一侧用金属粘合剂粘接在发动机前悬置系统15中金属骨架9上，压电陶瓷制成环形结构可以有效增加接触面积，因而提高振动能量的收集效率；片形压电陶瓷13的一端与发动机后悬置系统16中后置橡胶主簧12相连接，另一端用金属粘合剂粘接在发动机后悬置系统16中金属基座11上，片形压电陶瓷13贴合在金属基座11可以有效增加压电陶瓷的输出电压；本实施例中环形压电陶瓷10和片形压电陶瓷13收集到的电压均通过连接在上端面的导线并联接入到充电保护电路2中，压电陶瓷材料以PZT为材质。

在发动机6产生振动时，由于振动，发动机前悬置系统15中处在金属插入面7中的前置橡胶主簧8因振动产生形变，并对固定于金属骨架9上的环形压电陶瓷10产生压力，利用环形压电陶瓷10的压力效应产生交变的输出电压，同理，发动机后悬置系统16中处在金属连接部14中的后置橡胶主簧12因振动产生形变，并对固定于金属基座11上的片形压电陶瓷13产生压力，利用片形压电陶瓷13的压力效应产生交变的输出电压，并且多个压电俘能器并联，增大输出电流。

参见图6，本实施例中充电保护电路2包括分压电阻R1、稳压二极管D1和D2、二极管D3和D4，以及直流电源V1和V2；变压器T的初级端的端点a与电阻R1的一端连接，变压器T的初级端的端点b与压电俘能器1的一端连接，分压电阻R1的另一端与压电俘能器1的另一端连接，形成分压电阻R1与压电俘能器1的串联，利用分压电阻R1可以有效保护二极管；稳压二极管D1的阴极接端点a，稳压二极管D1的阳极与稳压二极管D2的阳极相连接，稳压二极管D2的阴极与二极管D3的阳极以及直流电源V1的负极共同连接，二极管D3的阴极接直流电源V2的正极，直流电源V2的负极与二极管D4的阳极共同接入端点b，二极管D4的阴极接直流电源V1的正极，以变压器T的次极端的端点c和端点d的输出信号作为后续电路控制系统3的输入信号。

本实施例直流电源中V1和V2的额定电压为5V，用于对压电俘能器的输出电压进行检测，本实施例中充电保护电路2能有效滤除电路中的高电压及过低电压，直流电源用于辅助滤除低电压；以此避免过压对器件造成损坏，并避免在过低电压时蓄电池5的无效充电。

如图6所示，电路控制系统3包括二极管D5、D6和D7，电容C1、C2、C3、C4和C5，输出电阻R2以及三端稳压器W；变压器T的次级端的端点c与二极管D5的阴极及电容C1的一端共同连接，二极管D5的阳极与二极管D6的阴极、电容C2以及电容C3的一端共同连接，二极管D6的阳极与电容C1的另一端以及二极管D7的阴极共同连接，电容C3的另一端与二极管D7的阳极、电容C4的一端以及三端稳压器W的第一端口共同连接，三端稳压器W的第二端口与电容C5的一端及输出电阻R2的一端共同连接至端点f，输出电阻R2的另一端与电容C4的另一端、电容C5的另一端以及三端稳压器W的第三端口共同连接至端点e，端点d和端点e接地，以端点e和端点f的输出信号作为后续脉冲转化器4的输入信号。

本实施例是采用正向脉冲充电—前停歇—反向脉冲放电—后停歇的正负脉冲充电形式给蓄电池进行补充充电，充电频率为0.93HZ，电流初始为5A，占空比为0.898。本脉冲充电形式使蓄电池内的电解质在一个脉冲周期内有970毫秒左右的较充分的正向充电时间，使蓄电池的充电效率达到90％以上。通过加入充、放电时间比为19～22的反向放电脉冲，使蓄电池的充电时间比普通恒流形式充电时更短，同时减少了蓄电池因为过度充电的还原反应而产生的氢气量和电解质在电极附近的堆积量，防止电极板的腐蚀，延长蓄电池寿命。

Claims (5)

1.一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，其特征是设置：

压电俘能器(1)，用于收集汽车发动机(6)的无效振动能量并转化为电能作为压电俘能器(1)的输出电压；所述压电俘能器(1)包括环形压电陶瓷(10)和片形压电陶瓷(13)，所述环形压电陶瓷(10)安装在发动机前悬置系统(15)中，所述片形压电陶瓷(13)安装在发动机后悬置系统(16)中；所述环形压电陶瓷(10)和片形压电陶瓷(13)是以压电陶瓷材料PZT为材质；

充电保护电路(2)，用于接收并检测来自所述压电俘能器(1)的输出电压，滤除所述输出电压中的高电压和过低电压后产生交流输出信号，并输出至后续电路控制系统(3)；

所述电路控制系统(3)，用于接收来自所述充电保护电路(2)的交流输出信号，经变压、整流、滤波和稳压以直流信号输出；

脉冲转化器(4)，用于接收来自所述电路控制系统(3)的直流信号，通过电压特性调整输出脉冲信号，以所述脉冲信号对汽车蓄电池(5)进行充电。

2.根据权利要求1所述的基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，其特征是：所述环形压电陶瓷(10)粘接在发动机前悬置系统中前置橡胶主簧(8)与金属骨架(9)之间；所述片形压电陶瓷(13)粘接在发动机后悬置系统中后置橡胶主簧(12)与金属基座(11)之间。

3.根据权利要求1所述的基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，其特征是：所述充电保护电路(2)包括分压电阻R1、稳压二极管D1和D2、二极管D3和D4，以及直流电源V1和V2；变压器T的初级端的端点a与电阻R1的一端相连接，变压器T的初级端的端点b与压电俘能器(1)的一端连接，所述分压电阻R1的另一端与所述压电俘能器(1)的另一端连接，形成分压电阻R1与压电俘能器(1)的串联连接；稳压二极管D1的阴极接端点a，稳压二极管D1的阳极与稳压二极管D2的阳极相连接，稳压二极管D2的阴极与二极管D3的阳极以及直流电源V1的负极共同连接，二极管D3的阴极接直流电源V2的正极，直流电源V2的负极与二极管D4的阳极共同接入所述端点b，二极管D4的阴极接直流电源V1的正极，以所述变压器T的次级端的端点c和端点d的输出信号作为后续电路控制系统(3)的输入信号。

4.根据权利要求3所述的基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，其特征是：所述电路控制系统(3)包括二极管D5、D6和D7，电容C1、C2、C3、C4和C5、输出电阻R2以及三端稳压器W；所述变压器T的次级端的端点c与二极管D5的阴极及电容C1的一端共同连接，二极管D5的阳极与二极管D6的阴极、电容C2以及电容C3的一端共同连接，二极管D6的阳极与电容C1的另一端以及二极管D7的阴极共同连接，电容C3的另一端与二极管D7的阳极、电容C4的一端以及三端稳压器W的第一端口共同连接，三端稳压器W的第二端口与电容C5的一端及输出电阻R2的一端共同连接至端点f，输出电阻R2的另一端与电容C4的另一端、电容C5的另一端以及三端稳压器W的第三端口共同连接至端点e，端点d和端点e接地，以端点e和端点f的输出信号作为后续脉冲转化器(4)的输入信号。

5.根据权利要求4所述的基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，其特征是：设置所述脉冲转化器(4)的一个脉冲周期为1080毫秒，占空比为0.898。