CN110061607A

CN110061607A - 一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器及电源管理系统

Info

Publication number: CN110061607A
Application number: CN201910398523.9A
Authority: CN
Inventors: 闫泽涛; 冯汉炯
Original assignee: SHENZHEN AEROSPACE INNOTECH CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN AEROSPACE INNOTECH CO Ltd
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2019-07-26

Abstract

本发明提供一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器及电源管理系统，属于能源采集与应用技术领域。本发明所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器集成了压电、电磁两种方式能量的转换，采用两组并列的悬梁臂‑质量块结构，实现振动能的持续高效转换；本发明所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器的电源管理系统，包括依次连接的振动能量采集模块、蓄电池、电源管理模块以及负载；所述电源管理模块用于控制负载对蓄电池中的电量的使用。本发明解决了因缺乏适用于地铁轨道交通的输出电压高、环境适应性强、能量密度和转换效率高的微型振动能量采集器而没有对地铁振动能进行利用的问题。本发明可用于地铁轨道交通的振动能量采集与应用。

Description

一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器及电源管理系统

技术领域

本发明涉及一种微型振动能量采集器及电源管理系统，属于能源采集与应用技术领域。

背景技术

能量采集是指收集环境中未利用的能源(光、热、风、机械振动等)并将其转换成为可用电能的一种技术。机械振动是环境中普遍的一种能量存在形式，微型振动能量采集器能够采集广泛存在于自然环境中的振动能进行能量供给，具有体积小、寿命长、高能量密度的特点，具有广阔的发展前景。

耗能的领域里很多，其中最为频繁的耗能领地包括：公路交通、轨道交通。由于车辆的运动是把植物燃油转化车辆运动的动能，利用该动能再生回收是一个非常不错的产生效益的途径。然而目前在大多数道路上(包括轨道交通)都没有对车辆的动能进行系统利用，也没有对道路环境配置状态能源采集和回收进行利用，更没有多模式的综合系统的利用，只有极少数的道路上利用风能和光伏电能。对于受限于车流量不稳定，其次能量采集点也不好布控，能量采集率会降低；并且由于供电量不稳定，存储与利用相对比较麻烦，配套设施的建立与运营成本比较高。但是地铁轨道交通其实是具备较好能源综合系统条件的，地铁运行时间稳定，振动能量集中利于采集，并且伴随着地铁的运营需要长时间的照明、广告指示牌、监测设备、通信、电梯、通信等大批耗能设备，则采集到的振动能能够就近供给地铁运营使用，能量的存储运输成本低。由此，将微型振动能量采集器应用于地铁轨道交通是可行的。

微型振动能量采集器一般包括能量采集与能量存储两大模块，根据采能原理可分为电磁式、压电式、静电式、磁致伸缩式、复合式等。压电式构造简单、输出电压高、响应速率快、成本低、寿命长、易于实现微型化制造、机电耦合能力强；但其选用的压电材料压电性能将严重影响器件的输出电性能。电磁式振动能量采集器具有输出功率大、输出电流较大、无需外加电源等优点；但其输出电压较小、尺寸较大、振动驱动频率较高，且难与微纳加工技术相兼容，其微型化应用受限。静电式具有输出电压较大、易于实现微小型化、不依赖功能材料、与微纳制造技术兼容等优点，但其需要外加电源，使其应用受限，比如无源自供电等方面就不适用。磁致伸缩式相比压电式具有更好的机电耦合效果，响应频率范围较宽，但因其复杂的能量转换机理，且依赖于材料和线圈的性能，应用不广。

但单一发电方式均存在局限性，如何结合各种不同采集类型的振动能量采集器的优点，得到一种适用于地铁轨道交通的输出电压高、能持续高效地转化、体积小、寿命长、环境适应性强、能量密度和转换效率高的微型振动能量采集器，成为急需解决的问题。

发明内容

本发明为解决因缺乏适用于地铁轨道交通的输出电压高、环境适应性强、能量密度和转换效率高的微型振动能量采集器而没有对地铁振动能进行利用的问题，提供了一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器及电源管理系统。

本发明所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，通过以下技术方案实现：

包括：永磁铁基座和双线圈悬梁结构；

所述双线圈悬梁结构包括两质量块、四悬梁臂以及设置在永磁铁基座上的框状衬底；两质量块对称设置在框状衬底中部，每一所述质量块分别通过两悬梁臂与所述框状衬底连接；

所述双线圈悬梁结构还包括上从下往上依次设置的下电极层、压电薄膜层、磁感应线圈/上电极层、绝缘层、磁感应线圈端电极引出层；

所述下电极层和压电薄膜层和绝缘层覆盖在悬梁臂上并延伸至框状衬底的一边；所述磁感应线圈/上电极层覆盖在质量块和悬梁臂上并延伸至框状衬底，所述磁感应线圈/上电极层覆盖在质量块的部分设有磁感应线圈；所述磁感应线圈端电极引出层与所述磁感应线圈的端电极连接并通过悬梁臂延伸至框状衬底。

本发明所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器的电源管理系统，包括依次连接的振动能量采集模块、蓄电池、电源管理模块以及负载；

所述振动能量采集模块用于将振动能转换为电能并输送至所述蓄电池进行存储，包括若干分段铺设于地铁轨道下方的微型振动能量采集器；

所述电源管理模块包括电量监控单元和转换开关；

所述电量监控单元用于监测蓄电池中的电量并根据监测结果向所述转换开关传送指令；所述转换开关的输入端一路为蓄电池，一路为电网电源，其输出端与负载连接。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，集成了压电、电磁两种方式能量的转换，体积小、寿命长、环境适应性强、提高了器件输出能量密度；且采用两组并列的悬梁臂-质量块结构，工作频带明显拓宽，能量转换持续高效，压电模块输出电能增大一倍、电压高。本发明所涉及的一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器的电源管理系统能够将地铁轨道振动能转换为电能就近进行应用，不仅节约了能量，也减少了能量存储和输送的成本，并且在实现机械能与电能转换的同时，可以有效减少地铁隧道中振动对建筑结构造成的损伤。

附图说明

图1为本发明所述微型振动能量采集器结构示意图；

图2为本发明所述微型振动能量采集器的侧视图；

图3为本发明动力学振动模型原理图；

1.永磁铁基座，2.质量块，3.悬梁臂，4.框状衬底，5.下电极层，6.压电薄膜层，7.磁感应线圈/上电极层，8.绝缘层，9.磁感应线圈端电极引出层，10.磁感应线圈。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，包括：永磁铁基座1和双线圈悬梁结构；

所述双线圈悬梁结构包括两质量块2、四悬梁臂3以及设置在永磁铁基座1上的框状衬底4；两质量块2对称设置在框状衬底4中部，每一所述质量块2分别通过两悬梁臂3与所述框状衬底4连接；

所述双线圈悬梁结构还包括上从下往上依次设置的下电极层5、压电薄膜层6、磁感应线圈/上电极层7、绝缘层8、磁感应线圈端电极引出层9；

所述下电极层5和压电薄膜层6和绝缘层8覆盖在悬梁臂3上并延伸至框状衬底4的一边；所述磁感应线圈/上电极层7覆盖在质量块2和悬梁臂3上并延伸至框状衬底4，所述磁感应线圈/上电极层7覆盖在质量块2的部分设有磁感应线圈10；所述磁感应线圈端电极引出层9与所述磁感应线圈10的端电极连接并通过悬梁臂3延伸至框状衬底4，实现电磁部分电能的收集。

本发明所述设计微型振动能量采集器采用压电-电磁复合式原理，基础构造为两组悬梁臂-质量块结构；其中，质量块的质量远大于螺旋梁，可将梁看成弹簧振子，构成“弹簧-质量块”阻尼系统作为其动力学振动模型，如图3所示为单组弹簧-质量块原理图，其中k为螺旋梁弹性系数，m为质量块质量，c为阻尼系数：

该系统所受到外部激励振动位移为：

x(t)＝Xsinωt (1)

式中，X为永磁铁基座振动振幅值，ω为振动圆频率，t为时间。

对公式(1)进行二阶求导，得出：

质量块与永磁铁基座的相对运动位移为z(t)，若设定质量块偏离初始平衡位置的位移为y(t)，则z(t)能够表示为：

z(t)＝y(t)-x(t) (3)

进行求导，得：

再求导，可得：

质量块运动方程可由牛顿定律分析动力平衡问题得到，表示如下：

将公式(5)代入公式(6)，有：

将公式(2)代入公式(7)，可得到：

公式(8)为二阶非齐次线性微分方程，其特解是该复合式振动能量采集器设计的重点。振动能量采集器因受到外部环境周期性机械振动带动而发生受迫振动，也即器件在外部环境激励下进行稳定周期性运动，质量块的相对位移z(t)也可由下列式子表示：

z(t)＝Zsin(ωt-θ) (9)

式中，Z是相对位移振动幅值，θ是x(t)与z(t)间的相位差。

同理，对公式(9)求导，可得：

再求导，可得：

质量块受到的作用力可表示为：

F＝-mω²Zsin(ωt-θ) (12)

结合式(8)与式(9)，Z和θ能够表示为：

有研究表明，当微型振动能量采集器工作在共振状态下能量转换效率最高，而本发明为两组并列的悬梁臂-质量块结构，与单组弹簧-质量块相比工作频带明显拓宽，其共振频率的下限为两组悬梁臂-质量块中的最低者，共振频率的上限为两组悬梁臂-质量块中的最高者。并且此时质量块的振动幅度最大，压电材料PZT发生最大形变，压电模块输出电能最大。忽略电极层和绝缘层对整体结构的影响，设置微型振动能量采集器的外边框尺寸为12.4mm×12.4mm×0.4mm，内边框尺寸为10.0mm×10.0mm×0.4mm，质量块尺寸为2.2mm×2.2mm×0.3mm，悬臂梁宽度为500μm，厚度为40μm，PZT压电层厚度为3μm；此时能量输出功率最大。

本发明将磁感应线圈10设置于质量块2上，环境振动源激励下质量块带动线圈振动，永磁铁基座固定在下方；由法拉第电磁感应定律可知，电磁式振动能量采集器发生振动时，磁铁和磁感应线圈的相对运动引起通过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电动势。

悬梁臂-质量块有效了降低器件谐响应频率，PZT压电效应加之磁感应线圈与磁体的相对运动，本发明所述微型振动能量采集器集成两种方式能量的转换，提高了器件输出能量密度。当环境激励器件振动时，质量块带动悬臂梁运动，其上生长的PZT压电薄膜层发生形变，按照正压电效应其上下表面产生电势差，实现压电发电；与此同时，质量块2带动磁感应线圈振动，切割磁感线引起磁通量变化，从而产生感应电动势，实现电磁发电。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述下电极层5为Ti/Pt(钛/铂)，所述压电薄膜层6采用锆钛酸铅压电陶瓷PZT；Ti作为过渡层提高Pt与SiO₂的粘附性，Pt的晶格常数接近于压电薄膜层PZT，也有利于PZT压电薄膜的生长；PZT压电层是压电发电模块的关键材料，PZT通过溶胶-凝胶法生长于Pt表面，具有优良的压电性能及介电性能。

合适的压电材料是微型振动能量采集器压电模块实现良好机电耦合的关键，其选取主要考虑到以下几个参数：机电耦合系数、压电常数、相对介电常数、机械品质因数、弹性模量、居里温度等；常用的压电材料主要有压电晶体(如石英、PMN、PZN、PMN-PT、PZN-PT、PMN-PZT)、压电陶瓷(如PZT、BT等)、压电纤维(如PFC、MFC)、压电聚合物(如PVDF、PVDF-TrFE、DNA等)、压电复合材料(如0-3型和1-3型的PZT-PVDF)和压电薄膜(如PZT、AlN、ZnO、PVDF等)。常见的压电薄膜材料参数见表1，选用压电性能突出、机电耦合系数高、压电常数高、MEMS(Microelectro Mechanical Systems微机电系统)领域应用广泛的PZT作为压电材料。

表1常见的压电薄膜材料参数

材料属性	PZT	AIN	ZnO	PVDF
					横向机电耦合系	0.35	—	0.28	0.11
纵向机电耦合系	0.70	0.20	0.41	0.16
					横向压电系	-60～171	-2～8	-5.0	-20
纵向压电系	150～289	3.4～3.9	5.5～12.4	30
					相对介电系	425～1830	8.5	8.8	12～15
弹性模量(×103MPa)	50～93	—	2100	2～8

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述绝缘层8材料为Si₃N₄，用于隔离磁感应线圈/上电极层7与磁感应线圈端电极引出层9；磁感应线圈/上电极层7与磁感应线圈端电极引出层9均采用Ti/Au(钛/金)，同样地Ti具有过渡作用，利于隔离磁感应线圈/上电极层7生长于PZT压电层表面以及质量块2的SiO₂表面上。

磁感应线圈材料选取影响到线圈内阻，应尽量减小内阻，减小内耗，以提高微型能量采集器电磁模块的能量输出密度；线圈材料的电阻率将直接决定线圈内阻，线圈材料的电阻率不仅与线圈材料有关，而且与导体材料的温度有关。在温度变化不大的范围内，绝大部分金属的电阻率随温度变化作线性变化；考虑到所述微型振动能量采集器将安装在地铁轨道下方，温度应该比常温略低，在这个温度范围内，银、铜、金、铝材料的电阻率依次增大，相同结构尺寸条件下内阻依次增大，导电性依次降低。其中，银、铜的导电性最好，但密度大，质量(重量)大；铝密度小，取材广，价格低，但由于其本身化学性质不稳定，容易被氧化；考虑到磁感应线圈生长与MEMS工艺的兼容性，选用金(Au)作为线圈材料。

其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述下电极层5、压电薄膜层6、磁感应线圈/上电极层7、绝缘层8、磁感应线圈端电极引出层9延伸至框状衬底4的长度依次减少，这样能够保证下电极层5、磁感应线圈/上电极层7、磁感应线圈端电极引出层9均有裸露部分，便于引线连接。

其他步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述框状衬底4采用SiO₂/Si/SiO₂(二氧化硅/硅/二氧化硅)，Si为N型Si(100)，SiO₂通过热氧化方式生长于Si表面，其化学性质和电绝缘性能稳定。

其他步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述永磁铁基座1材料采用钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)。永磁材料的合适与否严重影响着微型能量采集器电磁模块发电效果，永磁材料种类繁多，目前应用较多的有铝镍钴、稀土钴、钐钴和钕铁硼；其质量及性能主要由以下几个参数表征：剩余磁感应强度、矫顽力和最大磁能积；通过大量仿真实验数据对此，选用具有剩磁高、矫顽力高、磁能积高、机械强度好的钕铁硼(Nd₂Fe₁₄B)作为磁场来源。

其他步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式给出的一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器的电源管理系统，包括依次连接的振动能量采集模块、蓄电池、电源管理模块以及负载；

所述振动能量采集模块用于将振动能转换为电能并输送至所述蓄电池进行存储，包括若干分段铺设于地铁轨道下方(振动敏感方向，有利于振动能量的收集与能量的转换效率)的微型振动能量采集器；

所述电源管理模块用于控制负载对蓄电池中的电量的使用；

所述电源管理模块包括电量监控单元和转换开关；

所述电量监控单元用于监测蓄电池中的电量并根据监测结果向所述转换开关传送指令；所述转换开关的输入端一路为蓄电池，一路为电网电源，其输出端与负载连接；这里的负载主要指将地铁轨道振动能就近运用于地铁运营所需的照明、指示牌、电子监测、通风、通信、信号、报警等低压低能耗设备。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，当蓄电池中的电量充足时，所述转换开关的输入端保持与蓄电池连接；当电量监控单元监测到蓄电池中的电量低于阈值时，向所述转换开关传送指令切换到与电网电源连接。

其他步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是，所述转换开关采用静态转换开关STS(Static Transfer Switch)；静态转换开关为电源二选一自动切换系统，能够在第一路出现故障后STS自动切换到第二路给负载供电，第二路故障的话STS自动切换到第一路给负载供电。主要由智能控制板、高速可控硅、断路器构成；其标准切换时间为≤8ms，不会造成IT类负载断电。既对负载可靠供电，同时又能保证STS在不同相切换时的安全性。

其他步骤及参数与具体实施方式七或八相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，其特征在于，包括：永磁铁基座和双线圈悬梁结构；

2.根据权利要求1所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，其特征在于，所述下电极层为Ti/Pt，所述压电薄膜层采用锆钛酸铅压电陶瓷PZT；PZT通过溶胶-凝胶法生长于Pt表面。

3.根据权利要求1或2所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，其特征在于，所述绝缘层材料为Si₃N₄，用于隔离磁感应线圈/上电极层与磁感应线圈端电极引出层；磁感应线圈/上电极层与磁感应线圈端电极引出层均采用Ti/Au。

4.根据权利要求3所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，其特征在于，所述下电极层、压电薄膜层、磁感应线圈/上电极层、绝缘层、磁感应线圈端电极引出层延伸至框状衬底的长度依次减少。

5.根据权利要求4所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，其特征在于，所述框状衬底采用SiO₂/Si/SiO₂，SiO₂通过热氧化方式生长于Si表面。

6.根据权利要求5所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器，其特征在于，所述永磁铁基座材料采用钕铁硼。

7.一种采用权利要求1～6所述地铁轨道交通的微型振动能量采集器的电源管理系统，其特征在于，包括依次连接的振动能量采集模块、蓄电池、电源管理模块以及负载；

所述电源管理模块包括电量监控单元和转换开关；

8.根据权利要求7所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器的电源管理系统，其特征在于，当蓄电池中的电量充足时，所述转换开关的输入端保持与蓄电池连接；当电量监控单元监测到蓄电池中的电量低于阈值时，向所述转换开关传送指令切换到与电网电源连接。

9.根据权利要求7或8所述一种地铁轨道交通的微型振动能量采集器的电源管理系统，其特征在于，所述转换开关采用静态转换开关STS。