CN112277901A - 用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统 - Google Patents

用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统，包括：摩擦电发生模块和无源电源管理电路；摩擦电发生模块包括转子和定子，转子安装在卡钳和刹车片上，定子安装在刹车盘上，用于在车辆运行中，将刹车盘与刹车片之间的机械能转化为电能；无源电源管理模块与摩擦电发生模块连接，用于收集并存储摩擦电发生模块转化的电能。该系统可应用于汽车制动结构，收集刹车片与刹车盘之间的制动能量并产生电能，进而为车载传感器等小型电子设备供能，并且可以作为自供电传感器实现刹车片磨损深度的实时监测。

Description

用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，特别涉及一种用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统。
背景技术
现阶段已有能量收集技术方案采用水平滑动式摩擦纳米发电机收集汽车制动能量，尚处于模型阶段，能量转化效率有待进一步提高，并且，刹车片与刹车盘直接接触，易于磨损，同时没有配套电源管理电路进行电能储存，无法在低阻抗下使用，此外，水平滑动式摩擦纳米发电机电荷转移发生在两个相对旋转的电极之间，工作过程中容易引起导线缠绕，布线困难
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统，该系统可应用于汽车制动结构，收集刹车片与刹车盘之间的制动能量并产生电能，进而为车载传感器等小型电子设备供能，并且可以作为自供电传感器实现刹车片磨损深度的实时监测。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统，包括：摩擦电发生模块和无源电源管理电路；
所述摩擦电发生模块包括转子和定子，所述转子安装在卡钳和刹车片上，所述定子安装在刹车盘上，在车辆运行中，将刹车盘与刹车片之间的机械能转化为电能；
所述无源电源管理模块与所述摩擦电发生模块连接，用于收集并存储所述摩擦电发生模块转化的电能。
本发明实施例的用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统，具有以下有益效果：
(1)基于摩擦纳米发电机原理，采用独立层模式，设计一种摩擦电能收集系统，可应用于汽车制动时机械能的收集，并利用双触点碳纤维电刷作为脉冲开关，实现单向脉冲输出，降低负载阻抗要求；
(2)无源电源管理电路，可在小负载下工作，实现了电能储存；
(3)摩擦电能收集系统可作为自供能传感器来用于检测刹车片的磨损深度，具备良好的应用潜力；
(4)解决了水平滑动式摩擦纳米发电机布线难的问题，避免了工作过程中导线之间相互缠绕的问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的摩擦电发生模块与卡钳，刹车片和刹车盘位置关系示意图；
图3为根据本发明一个实施例的摩擦电发生模块多层结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的电极层互补图案示意图；
图5为根据本发明一个实施例的碳纤维电刷作为脉冲开关示意图；
图6为根据本发明一个实施例的碳纤维电刷与电极连接顺序示意图；
图7为根据本发明一个实施例的摩擦电发生模块单向工作过程示意图；
图8为根据本发明一个实施例的无源电源管理电路示意图；
图9为根据本发明一个实施例的次级等效电源管理电路示意图；
图10为根据本发明一个实施例的能量转移过程示意图；
图11为根据本发明一个实施例的不同磨损深度下输出性能变化示意图；
图12为根据本发明一个实施例的不同行驶速度下输出功率示意图；
图13为根据本发明一个实施例的不同负载下输出功率和充电效率示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统。
图1为根据本发明一个实施例的用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统结构示意图。
如图1所示，该用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统包括：摩擦电发生模块100和无源电源管理电路200。
所述摩擦电发生模块包括转子和定子，所述转子安装在卡钳和刹车片上，所述定子安装在刹车盘上，在车辆运行中，将刹车盘与刹车片之间的机械能转化为电能；
所述无源电源管理模块与所述摩擦电发生模块连接，用于收集并存储所述摩擦电发生模块产生的电能。
摩擦电发生模块主要由定子和转子两部分构成，其与卡钳，刹车片和刹车盘的位置关系如图2所示。定子外形设计同刹车盘，安装在刹车盘上；转子中上基底外形同卡钳，独立层外形同刹车片，分别安装在卡钳和刹车片上。由于汽车制动结构的对称性，同一个轮毂上安装有两套摩擦电发生模块。
摩擦电发生模块具有多层结构，每层结构的具体形状如图3所示。定子分为三层，底层是由亚克力材质的圆形基底层，中间层是电极层(铝，厚度为0.01mm)，顶层为氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene，简称FEP，厚度为0.025mm)材质的介电层。如图4所示，电极层由内外两个组电极互补形成，单个组电极具有多个栅状的阵列结构单元，每个单元都是扇形，之间由细沟隔开，两个组电极分别在一端由环形连接。单个组电极具有的单元数与其对应圆心角的乘积为180°，单元数可以任取，本发明的实施例以20个单元，圆心角9°为例。转子有两层，与定子介电层相接触的一层是独立层(厚度为0.01mm)，独立层具有与转子中形状一致的栅状结构单元，总面积为刹车片的一半，本发明的实施例以3个单元为例，顶层同样是由亚克力切割而成的圆形基底层。这种合理的设计不仅结构简单，而且具有良好的鲁棒性，使得摩擦电发生模块可以长时间使用。转子和定子具有二维平面结构，尽可能地减小所占用的空间。
定子与转子中独立层的内外半径与配套的刹车片和刹车盘相同，本发明的实施例以内外半径分别为110mm和150mm为例，转子中圆形基底层半径与卡钳相同，具体尺寸依照实际而定。由于摩擦起电效应，不同极性的静电荷分布在独立层的下表面和介质层上表面。负电荷均匀分布介电层上表面，电荷密度与材料，压力，湿度等有关。为了保持电荷守恒，独立层下表面将有总量相同的正电荷。
在上述结构上，设计碳纤维电刷作为脉冲式开关，实现单向脉冲输出。放电瞬间的最大电压峰值不随负载增加而增加，始终保持为开路电压的最大值，其输出功率同样保持最大值。
如图5所示，在上下基底上各引入了两排1mm长的碳纤维电刷，其高度之和等于电极层，介电层，独立层以及刹车片厚度之和，所对应的圆心角一般小于栅状单元的1/5，本发明的实施例以0.9°为例。所有电刷设置在栅状单元的中间位置，只有当转子旋转到与电极A或者电极B完全对齐时才会形成通路，其他情况下相当于断路。此时转移的电荷量最大，开路电压最大，等效输出电容最小，因此输出的电能也最大。另外，定义下基底径向上两个电刷为一组，同组中两个电刷分别于电极A和电极B相连，同时相邻的电刷组与金属电极连接的顺序相反，如图6所示，如果一组靠近圆心的电刷连接电极A，远离圆心的电刷连接电极B，在相邻两个电极组中，靠近圆心的电刷则连接电极B，远离圆心的电刷则连接电极A。在刹车过程中，卡钳，上基底及其电刷保持不动，刹车片以及独立层通过活塞被压向刹车片，因此上下基底上的电刷始终保持无压力接触。
如图7所示，对应的是摩擦电发生模块平稳运行之后在同一个工作周期中的初始状态和最终状态。在初始状态时即转子C和电极A对齐时，上下基底上的两组电刷同时对齐，其中上基底上的两个电刷III和IV连接负载两端，下基底上的两个电刷I和II则分别连接电极A和B，此时电极A和电极B之间形成通路，此时电势差最大，产生脉冲电流，电极A上的正电荷依次经过I-III-负载-IV-II流入电极B中，电流方向从左向右。转子C继续旋转，上下基底上的电刷脱离不再接触，电极A和电极B之间断开，因而无法产生电流，运动过程中的能量逐渐积累。当转子C运动到最终状态与电极B对齐时，两电极之间的电势差达到最大，电极A和电极B再次形成通路，产生脉冲电流。与初始状态不同的是，此时下基底上的电刷I和II分别于电极B和电极A相连，与初始状态连接顺序相反。电极B上的正电荷依次经过I-III-负载-IV-II流回电极A中，电流方向同样是从左向右的。如此继续进入下一个周期，在每个周期中，开关都会闭合两次，产生两次脉冲电流。由于引入两排电刷作为脉冲开关这样的双触点设计，开关在每次闭合时的脉冲电流方向都是一致的，因此在之后的电源管理电路设计中不用使用四个二极管组成的全波整流桥，减少了二极管上的功率损耗。这样的设计实现了整流的作用，同时输出电学信号呈现脉冲形式，大大降低了无源电源管理电路的设计难度。
下面介绍本系统中的无源电源管理电路。
针对摩擦电发生模块单向脉冲输出的特性，设计了一种结构简单，且储能效率较高的无源电源管理电路。该无源电源管理电路由三个简单的无源元件构成，包括一个储能电容C2、一个二极管D1以及一个异名端耦合电感。其结构示意图与工作原理如图8、图9和图10所示。
在此无源电源管理电路中采用耦合电感进行电能收集和降压，并改变储能电容C2充电电流方向。次级电感所在支路由储能电容C2和二极管D1组成，整个电路可以等效为图9所示电路。此无源电源管理电路可以收集摩擦电模块释放的能量，将其高效地转移到储能电容C2中。一个充电周期的能量转移过程分为两个阶段：第一个阶段是将摩擦电发生模块输出的电能全部转化为电感L的磁能。如图10(a)所示(电源管理电路第一阶段)，当转子C与电极A或B对齐时，机械开关S1闭合，由于二极管D1处于反向截止状态，因此电流无法通过储能电容C2所在支路，只能通过电感L。随着摩擦电发生模块不断放电，通过电感L的电流不断增大，电感中储存的磁能不断增加，当电流达到最大时，摩擦电发生模块中所有的电能全部转化为电感L储存的磁能，至此第一个阶段结束，进入第二个阶段。能量转移的第二个阶段是电感L中的磁能转化为电能并储存在电容C2上。在第二个阶段中，如图10(b)所示(电源管理电路第二阶段)，电感L的电流方向自上而下保持不变，但是电流大小逐渐降低，根据楞次定律，为阻止磁通量的降低，此时电感L相当于电源，产生下正上负的反向电压，二极管D1正向导通，电感L中的磁能逐渐转化为电能向电容C2充电，最终全部储存在C2中，至此第二阶段结束。在摩擦电发生模块运动的一个周期中，转子C会与电极A和电极B各对齐一次，因此摩擦电发生模块会进行两次放电，对储能电容C2充电两次。一般来说开关闭合的时间会略大于摩擦电发生模块的放电时间，以保证电能可以充分释放，在第二阶段中，电感L中的磁能其实有一小部分转化为电能储存在电容C1中。然而，由于电容C1远小于储能电容C2，因此理论上可以忽略不计。
进一步地，摩擦电收集系统可以用于检测刹车片磨损深度，具有一定的应用潜力。如图11所示，图11(a)为开路电压随磨损深度变化曲线；图11(b)短路电荷随磨损深度变化曲线；图11(c)为输出电容随磨损深度变化曲线。当刹车片磨损之后，刹车片和刹车盘之间会出现空气间隙导致等效阻值突增，之后随着空气间隙的增加，等效阻值不断降低，并且单个周期转移电荷量会不断减少，这会导致开路电压的峰值随着磨损深度的增加而不断降低。例如，当检测到开路电压峰值为13500V时，可以近似推断刹车片已经磨损2mm。
具体地，本发明实施例的系统具有高输出功率，如图12所示，假设汽车以40km/h的速度运行时，汽车轮毂转速约为5r/s，通过仿真计算总输出功率可达0.37W，这足以驱动一些小型的车载传感器；同时，随着汽车行驶速度的增加，总输出功率呈现线性增加的趋势。
本发明实施例的系统具有高输出功率，如图13所示，图13(a)为不同阻值下输出功率曲线，图13(b)为充电效率。通过碳纤维电刷结构以及无源电源管理电路，摩擦电能收集系统可以在10Ω-30KΩ的负载阻值下维持最大输出功率0.37W，且无源电源管理电路的最优效率可以达到94％，储能效率较高，功率损失较小。
本发明实施例的系统布线简单。在汽车行驶过程中，刹车片是静止不动的，并且电荷转移发生在刹车片上两个相邻的单元之间，因此只需在刹车片上布线即可，不会出现导线之间的相互缠绕。
根据本发明实施例提出的用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统，主要包含摩擦电发生模块和相应的无源电源管理电路，并采用双触点碳纤维电刷，其本身可以作为自供电传感器用以检测刹车片磨损深度。本发明可以广泛应用于汽车制动结构，收集刹车片与刹车盘之间的制动能量并产生电能，为车载传感器等小型电子设备供能，并且可以作为自供电传感器实现刹车片磨损深度的实时监测。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于收集汽车制动能量的摩擦电能收集系统，其特征在于，包括：摩擦电发生模块和无源电源管理电路；
所述摩擦电发生模块包括转子和定子，所述转子安装在卡钳和刹车片上，所述定子安装在刹车盘上，在车辆运行中，将刹车盘与刹车片之间的机械能转化为电能；
所述无源电源管理模块与所述摩擦电发生模块连接，用于收集并存储所述摩擦电发生模块转化的电能。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，一个轮毂上安装两套所述摩擦发生模块。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摩擦电发生模块为多层结构器件，所述定子外形设计与刹车盘相同，所述定子包括三层，即与刹车盘最近的圆形下基底层，中间层为电极层，以及离刹车盘最远的介电层。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述定子的电极层由内外两个组电极互补形成，单个组电极为具有多个栅状的阵列结构单元，每个单元均为扇形，之间由细沟隔开，两个组电极分别在一端环形连接，单个组电极具有的单元数与其对应的圆心角乘积为180°。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述转子包括两层，安装在卡钳上的上基底层和安装在刹车片上的独立层，所述安装在刹车片上的独立层包括与所述转子中形状一致的栅状结构单元，总面积为刹车片面积的二分之一。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，上基底层与下基底层上设置两排碳纤维电刷，所对应的圆心角小于栅状的阵列结构单元的1/5；
所述碳纤维电刷设置在栅状的阵列结构单元的中间位置；
所述下基底层中同组的两个电刷分别连接两个电极，且相邻的电刷组与电极的连接顺序相反。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无源电源管理模块包括储能电容，二极管和异名端耦合电感，通过所述异名端耦合电感收集所述摩擦电发生模块的电能，通过所述储能电容存储电能。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述定子的下基底层为亚克力，中间层为铝层，介电层为氟化乙烯丙烯共聚物材质。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述转子的上基底层为亚力克，独立层为铜层。
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