CN106026774B - 基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，涉及一种电动汽车发电装置，该装置包括压电片在轮辋中的分布系统、电荷收集系统和储能系统。压电材料在受到外界应力时在其表面会产生大量电荷，本发明利用压电材料这一特性作为电荷产生装置。以纳米ZnO陶瓷片组成发电单元，充分利用压电材料储存能量的形式和能量释放速率的不同，分两次对其电场能和应变场能分别收集，以充分利用发电材料产生的电荷。本发明充分利用绿色环保可再生能源，本发明电荷收集、存储和利用过程易于控制，输出的电能可直接用于电动汽车电源系统进行充电，充电效率高，大大降低能源成本，尤其适用于当下节能减排、绿色环保、高效利用能源的潮流。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车发电装置，特别是涉及一种基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置。
背景技术
压电材料是指在受到压力作用时会在两端面间出现电荷和电压的材料。利用压电材料这一性质可实现机械能与电能的相互转换。压电效应的原理是，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的表面产生异号电荷，这种没有外界附加电场作用，只是由于形变而产生的电荷现象称为正压电效应。与之对应当对压电材料施加一外电场时，不仅在压电材料两端产生电荷，同时也产生形变的现象称为逆压电效应。压电发电技术涉及材料、机械、电子、自动化、电气工程等诸多学科。因此，有许多学科之间交叉的问题尚未解决，在该领域尚需进行大量的理论研究和实验分析。然而，随着电子元器件的高度集成化、低功耗电子器件和无线电射频技术的发展，为压电发电技术的应用提供了重要基础；另一方面，随着制造技术和材料科学的发展，不断出现了高发电性能、高机电耦合转换效率的压电材料。压电发电与其他发电形式相比，压电发电装置结构简单、不发热、无电磁干扰、易加工制作，实现结构上的微小化、集成化较容易，尤其适用于各类传感器、监测系统和其它低功耗电子设备。压电发电由于其自身的优点，越来越受到人们的广泛关注，在医疗、军事等领域已经开展了相关的研究工作，并成为目前新型发电方式中的一个研究热点。随着生活水平的不断增高，国人的汽车拥有率也逐年增高。汽车的运行需要汽油或者天然气，这都是一些污染性的物质，会对人体和自然产生副作用。现在国际倡导保护环境、高效节能，通过对机—电耦合与转换效应的高效压电发电汽车的研发来实现这一目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，提供了一种轻便发电装置，以充分利用汽车行驶过程中对轮胎的机械压力，提高电动汽车的续航时间，降低新能源汽车能源成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，发电装置发电单元是由纳ZnO陶瓷片在高强度的碳纤维上经堆积、并联而成的无底圆筒形状，电荷收集装置是根据能量形式不同的分两次高效收集能量装置，通过DC-DC降压变换器控制将收集的电荷暂存于超级电容器，充电电路是自适应形充电开关电路；无底圆筒形发电单元是均匀分布于汽车轮辋及其它圆形交通工具的轮轴上，由碳纤维作为底座构成等臂式压电振子，压电振子粘附在轮辋表面，经并联后与电荷收集装置相连；根据能量形式不同的分两次高效收集能量装置是一次能量收集装置，收集电场能瞬间释放的能量；二次能量回收装置是回收应变场产生的较为缓慢的能量，二次能量回收装置由电流放大器、整流滤波电路、模拟电子开关、简易测速装置、DC-DC降压变换器及电容连接而成；DC-DC降压变换器的控制作用，控制是否对超级电容器充电，同时电荷收集装置放电，利用DC-DC降压变换器的均压作用，实现收集部分和储存部分的通断；自适应形充电开关电路，是通过电子电路，检测充电电压、电流特征以判定是否对电源进行充电，并对电源有保护的作用的装置。
所述纳米ZnO陶瓷片用碳纤维支撑，并从其中一端的两表面引出两条高强度耐磨导线与其下层的压电片并联，将堆叠的压电片通过底层的碳纤维粘附于汽车的橡胶轮胎内部的轮辋上，压电片上引出的导线经橡胶轮胎与挡圈之间引出与电流放大器输入端连接；电流放大器、整流滤波器、模拟电子开关S1、S2、S3，简易测速装置、一次能量收集装置、二次能量回收装置、DC-DC降压变换器安放于电路板上并固定于轮辐上；电流放大器输出端与整流滤波电路输入端相连，整流滤波电路输出端分别与电子开关S1、简易车速控制装置相连接，简易车速控制装置信号输出端直接连接电子开关S2，信号输出端与S2的控制输入口连接， DC-DC降压变换器器的控制输出端分别与S2、S3连接，控制输出端与超级电容器连接；超级电容器引出导线，经车轮与轮轴之间已有的部件引至汽车电源处，依次与稳压器、电压比较器、电压放大器、充电控制芯片、模拟电子开关S4、汽车电源相连， 电压比较器输入端分别与超级电容器和稳压器输出端连接，输出端与充电控制芯片连接。
所述的基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，所述压电陶瓷片以3-5层堆叠，两列紧密排布在轮辋上，并依次分A、B、C、D四个区，各区均有导线与外界相连。
所述电流放大器采用OPA333型号运算放大器，整流电路采用桥式整流电路，一、二次能量回收装置采用电容收集，由两耐压值介于25-50V的陶瓷电容并联构成。
所述的基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，所述电子开关S1、S2分别与一次电荷收集装置、S3连接，S3接二次电荷收集装置；一次二次电荷收集装置同时与DC-DC降压变换器输入端连接。
所述的基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，所述超级电容器采用3V、300F电容，由两只串联而成。
所述的基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，所述稳压器采用RH-RHMK连续导电式直流稳压器，电压放大器采用D623 3-48电压放大器模块，电压比较采用LM211P型差分电压比较器、充电控制芯片采用TMS320LF2407。
所述的基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，其特征在于，所述充电控制芯片与电池管理系统相连，充电控制芯片输出端与模拟电子开关S4连接。
本发明的优点与效果是：
本发明公开了一种基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，包括压电片在轮辋中的分布系统、电荷收集系统和储能系统。压电材料在受到外界应力时在其表面会产生大量电荷，本发明利用压电材料这一特性作为电荷产生装置。以纳米ZnO陶瓷片组成发电单元，充分利用压电材料储存能量的形式和能量释放速率的不同，分两次对其电场能和应变场能分别收集，以充分利用发电材料产生的电荷。并利用储能装置将产生的电荷储存到新能源电动汽车电源系统供其使用。本发明利用新能源电动汽车在行驶过程中安装在轮胎轮辋处的纳米压电陶瓷片在受到压力时产生的电荷，进行高效的收集和利用，以增加新能源汽车续航时间。本发明充分利用绿色环保可再生能源，本发明结构简单，电荷收集、存储和利用过程易于控制，输出的电能可直接用于对新能源电动汽车电源系统进行充电，充电效率高，大大降低能源成本，尤其适用于当下节能减排、绿色环保、高效利用能源的潮流，具有很好的市场应用前景和明显的经济效益。
附图说明
图1为多片压电片在轮辋上的堆叠及排列形式；
图2为能量收集部分示意图；
图3为储能部分示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明基于机—电耦合与转换效应的新型高效直流压电发电机装置，结合汽车轮胎内部空间小，受力大的特点，其以纳米陶瓷压电材料作为压电单元，在较小空间内采用堆叠、并联的方式平铺于汽车轮辋内侧，使装置尽可能多的产生电荷并尽可能高的提高对外界应力的承受能力。在收集电荷方面，一次电荷收集装置收集压电材料瞬间产生的电场能，二次收集装置通过对车速的判断，适时自动收集压电材料的应变场能量。将每次收集到的微小能量通过导线与固定在轮辋外侧的DC-DC变换器相连，DC-DC变换器通过检测收集装置电压和其后的超级电容器的电压，利用其均压作用，适时自动的将收集到的电能暂存于超级电容器中。超级电容器与电压放大装置、电源控制与管理系统构成一智能充电装置，在充电控制芯片的控制下，最终将收集的电能充入电动汽车电源系统中。结合汽车自身重力较大以及汽车各零件连接复杂等因素，在材料方面，使用纳米ZnO陶瓷片作为压电材料，一方面可以减小压电单元的体积，使其适应于汽车组成结构；另一方面，利用纳米ZnO陶瓷片的耐压性以提高本装置的可靠性及其寿命。在能量收集方面，利用能量密度较高的纳米压电材料，并分别对能量进行收提高装置的高效性。在兼容方面，对发出的电能通过控制电路直接充入汽车自带电源，做到了充分收集，及时利用；在应用方面，将此装置不仅可以用于汽车，还可用于其他轮轴类及周期性运动的机械。
实施例
如图所示，本发明为一种将压电单元置于轮胎中的压电发电装置。包括：1.压电陶瓷片、2.碳纤维、3.导线 、4.橡胶轮胎、5.轮辋 、6.挡圈、7.轮辐、8.电流放大器、9.整流滤波器、10.简易测速装置、11.一次电荷收集装置、12.二次电荷收集装置、13.DC-DC降压器、14.超级电容器、15．稳压器、 16.电压比较器、 17.电压放大器、 18.充电控制芯片、 19.汽车电源、20.电源控制与管理系统；模拟电子开关S1、S2、S3、S4。
具体连接方式如下：
压电陶瓷片1用碳纤维2支撑，并从其中一端的两表面引出两条高强度耐磨导线3与其下层的压电片并联，将堆叠的压电片通过底层的碳纤维粘附于汽车的橡胶轮胎4内部的轮辋5上，压电片的规格为30mm*10mm*2mm,以3-5层堆叠，两列紧密排布在轮辋上，并依次分A、B、C、D四个区，各区均有导线与外界相连。
2.将由压电片上引出的导线经橡胶轮胎与挡圈6之间引出与电流放大器8输入端连接。
3.电流放大器、整流滤波器9模拟电子开关S1、S2、S3、简易测速装置10、一次电荷收集装置11、二次电荷收集装置12、DC-DC降压器13安放于电路板上并固定于轮辐7上。电流放大器采用OPA333型号运算放大器，整流电路采用桥式整流电路，一、二次电荷收集装置采用电容收集，由两耐压值介于25-50V的陶瓷电容并联按构成，容量介于0.1-1F之间。
4.电流放大器输出端与整流滤波电路输入端相连，整流滤波电路输出端分别与电子开关S1、简易车速控制装置相连接、简易车速控制装置输出端直接连接电子开关S2，信号输出端与S2的控制输入口连接，电子开关S1、S2分别与一次电荷收集装置、S3连接，S3接二次电荷收集装置；一次二次电荷收集装置同时与DC-DC降压器输入端连接。
5.DC-DC降压器的控制输出端分别与S2、S3连接，输出端与超级电容器14连接。超级电容器采用3V、300F的电容，由两只串联而成。
6.由超级电容器引出导线，经车轮与轮轴之间已有的部件引至汽车电源附近，依次与稳压器15、电压比较器16、电压放大器17充电控制芯片18、模拟电子开关S4、汽车电源19相连，其中稳压器采用RH-RHMK连续导电式直流稳压器，电压放大器采用D623 3-48电压放大器模块，电压比较采用LM211P型差分电压比较器、充电控制芯片采用TMS320LF2407。
7.电压比较器输入端分别与超级电容器和稳压器输出端连接，输出端与充电控制芯片连接。充电控制芯片与电源控制与管理系统20相连，充电控制芯片输出端与模拟电子开关S4连接。
本具体实施方案中采用一次、二次能量收集装置，两装置分别由导线与粘附与轮辋上的四个区的压电单元相连接，两者互不影响，均由电容器构成。一次电荷收集装置始终与各压电单元相连，二次电荷收集装置通过电子开关控制其与压电单元的通断，开关控制的依据是对车速的检测，二次电荷收集的到电能较小，经电压电压放大器以减小电能的损失；同时，由于两电荷收集装置受其电容值的大小所约束，所以由DC-DC转换器控制其与超级电容器的通断。
本具体实施方案中多片压电片并联的方式堆叠，采用的是等臂式压电振子，电压产生的大小与压电片的厚度成正比关系，现与汽车轮辋结构所约束，采用30mm*10mm*2mm的规格，在具体情况时应在有限空间内可适量提高压电片的厚度及堆叠层数。结合汽车在不同环境下行驶速度的不同，将发电单元分成四个区，做到在装置比较简单的条件下高效收集所产生的能量。
本实施方案中以普通新能源轿车为例，该车每百公里耗电量约为16千瓦时，每个轮胎所受压强约为2.2MPa,每区压电片数量70片，经测定，在此条件下单片产生峰值电能为80mW,当车以72km/h行驶时，每百公里可产生1.24千瓦时的能量，可供电车约续航9.6公里，也即可提高电车10%的续航能力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，上述实施例和说明书中描述的只是基本的原理，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明所作的等同变化与修饰，都应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.基于压电材料二次电荷采集的电动汽车直流压电发电装置，其特征在于，所述发电装置发电单元是由纳米ZnO陶瓷片(1)在高强度的碳纤维(2)上经堆积、并联而成的无底圆筒形状，电荷收集装置是根据能量形式不同的分两次高效收集能量装置，通过DC-DC降压变换器控制将收集的电荷暂存于超级电容器（14），充电电路是自适应形充电开关电路；无底圆筒形发电单元是均匀分布于汽车轮辋（5）及其它圆形交通工具的轮轴上，由碳纤维（2）作为底座构成等臂式压电振子，压电振子粘附在轮辋表面，经并联后与电荷收集装置相连；根据能量形式不同的分两次高效收集能量装置是一次能量收集装置（11），收集电场能瞬间释放的能量；二次能量回收装置（12）是回收应变场产生的较为缓慢的能量，二次能量回收装置（12）由电流放大器（8）、整流滤波电路（9）、模拟电子开关、简易测速装置（10）、DC-DC降压变换器（13）及电容连接而成；DC-DC降压变换器（13）的控制作用，控制是否对超级电容器充电，同时电荷收集装置放电，利用DC-DC降压变换器（13）的均压作用，实现收集部分和储存部分的通断；自适应形充电开关电路，是通过电子电路，检测充电电压、电流特征以判定是否对电源进行充电，并对电源有保护的作用的装置；
所述纳米ZnO陶瓷片(1)用碳纤维（2）支撑，并从其中一端的两表面引出两条高强度耐磨导线（3）与其下层的压电片并联，将堆叠的压电片通过底层的碳纤维粘附于汽车的橡胶轮胎(4)内部的轮辋（5）上，压电片上引出的导线经橡胶轮胎与挡圈（6）之间引出与电流放大器（8）输入端连接；电流放大器、整流滤波器（9）、模拟电子开关S1、S2、S3，简易测速装置（10）、一次能量收集装置（11）、二次能量回收装置（12）、DC-DC降压变换器（13）安放于电路板上并固定于轮辐（7）上；电流放大器输出端与整流滤波电路输入端相连，整流滤波电路输出端分别与电子开关S1、简易车速控制装置相连接，简易车速控制装置信号输出端直接连接电子开关S2，信号输出端与S2的控制输入口连接， DC-DC降压变换器器的控制输出端分别与S2、S3连接，控制输出端与超级电容器（14）连接；超级电容器引出导线，经车轮与轮轴之间已有的部件引至汽车电源处，依次与稳压器(15)、电压比较器(16)、电压放大器（17）、充电控制芯片(18)、模拟电子开关S4、汽车电源（19）相连， 电压比较器输入端分别与超级电容器和稳压器输出端连接，输出端与充电控制芯片连接；
所述纳米ZnO陶瓷片（1）以3-5层堆叠；
所述电流放大器（8）采用OPA333型号运算放大器，整流电路采用桥式整流电路，一、二次能量回收装置采用电容收集，由两耐压值介于25-50V的陶瓷电容并联构成；
所述电子开关S1、S2分别与一次能量收集装置、S3连接，S3接二次能量回收装置；一次二次能量回收装置同时与DC-DC降压变换器输入端连接；
所述超级电容器（14）采用3V、300F电容，由两只串联而成；
所述稳压器（15）采用RH-RHMK连续导电式直流稳压器，电压放大器采用D6233-48电压放大器模块，电压比较器采用LM211P型差分电压比较器、充电控制芯片采用TMS320LF2407；
所述充电控制芯片与电池管理系统（20）相连，充电控制芯片输出端与模拟电子开关S4连接。
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