CN112468019B - 一种路面冲击能的俘电装置和计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面冲击能的俘电装置和计算方法，俘电装置利用高于路面的压块将车重传递至压电堆，压电堆产生形变生d₃₃模式的发电，相较于传统埋在路面一下的压电堆减小了路面能量损耗，提高能效利用率；利用冲击锤将车速转换为向下的位移激励传递给压电悬臂梁，所述压电悬臂梁发生振动产生d₃₁模式的发电，实现了全面利用车速及车重的两种俘电来源，提高了能效利用率，解决了现有路面冲击能的俘电装置仅利用车重进行俘电且能效利用率较低问题。

Description

一种路面冲击能的俘电装置和计算方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种路面冲击能的俘电装置和计算方法。

背景技术

随着交通信息化、智能化的发展，公路交通附属电子设备，智能路面技术、物联网、绿色电动汽车充电设施等处于快速发展时期，它们都需要一个稳定持续的电源供应，但大部分高速公路的路段达不到此条件。目前利用车重俘电方式已有一些研究，在以往设计中，车重通过一定厚度的路面层才传递到压电堆，能效利用率较低。

发明内容

为了解决现有路面冲击能的俘电装置仅利用车重进行俘电且能效利用率较低问题，本发明提供一种路面冲技能的俘电装置和计算方法，所述俘电装置利用车重对压电堆进行发电以及利用车速对压电悬臂梁进行发电，实现了全面利用车速及车重的两种俘电来源，提高了能效利用率，同时给出了俘电装置的俘电计算方法。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种路面冲击能的俘电装置，包含冲击锤、压电悬臂梁、压块及压电堆，所述压块平行路面嵌入公路内部且所述压块顶部露出路面，所述压块底部外侧设置压电堆，所述压块顶部设有可容纳冲击锤锤头的容置槽，所述锤头和容置槽之间设置弹性器件，所述容置槽底部设有通孔，所述冲击锤的锤柄穿过所述通孔抵达压块内腔，所述锤柄最下端高于压块内腔底部，所述锤柄设置垂直于锤柄方向的压电悬臂梁，所述压电悬臂梁包含压电层、基层及质量块，所述压电层贴在基层的上表面，所述质量块位于压电层及基层远离锤柄的一端；

所述压电悬臂梁利用冲击锤锤头将车速转换为向下的位移激励进行振动发电，所述压电堆利用冲击锤锤头传递车重进行发电。

进一步地，所述锤柄设置多个垂直于锤柄方向的压电悬臂梁，所述多个压电悬臂梁成对称分布。

进一步地，所述压电层为压电片，所述多个压电片采用并联结构连接。

进一步地，所述基层采用钢材料。

本发明还提供一种路面冲击能的俘电方法，包括如下步骤：

步骤1：车轮首先接触压块并将车重传递给压电堆，所述压电堆发生形变产生d₃₃模式的电荷，从而求出电压、电能及功率：

其中，n为压电堆的压电片数，h为压电堆的压电片高度，l＝n*h为压电堆的高度，A为压电堆的横截面积，∈^T为在常应力下的介电常数，d₃₃为耦合系数，

为等效电容，

为压电椎的内应力，

为施加在压电堆的有效车重，F₀为加载到压电堆上的车重，一般取1/4的总车重，碾压时间τ_D＝D/V，两轮的相隔时间τ_L＝L/V，V为车速，D为压电堆平行车辆行驶方向的直径，L为车轴距；

步骤2：车轮接触冲击锤锤头并将车速转换为位移激励传递给压电悬臂梁，所述压电悬臂梁发生振动产生d₃₁模式的电量及电压为：

其中，ε_p为压电层每点的应变和车速有关，b为压电悬臂梁的梁宽度，L为压电悬臂梁的梁长度，d₃₁为应变耦合系数。

进一步地，步骤二包括如下步骤：

步骤2.1：车轮接触锤头时，相当于给压电悬臂梁施加的一个位移激励w₀(t)，此时压电层发生d₃₁模式的相变，并在两个电极表面产生符号相反的电荷，引起压电层内的极间电压来发电，所述位移激励w₀如公式(1)所示：

w₀(t)＝A₀sinωt (1)

公式(1)中，A₀为振幅，ω是圆频率，和车速相关；

步骤2.2：在竖向激励w₀的作用下，利用压电悬臂梁的运动微分方程求解梁挠度w(x,t)，所述压电悬臂梁的运动微分方程如公式(2)所示：

公式(2)中，EI为压电悬臂梁的抗弯模量，内弯矩M(x,t)包含两个部分：第一部分是由分布质量

引起的内弯矩M_q如公式(3)所示：

第二部分是由质量块M引起的内弯矩M_F如公式(4)所示：

将公式(3)和公式(4)代入公式(2)中，得到压电悬臂梁受位移激励w₀(t)的振动方程，如公式(5)所示：

求解公式(5)得到梁挠度w(x,t)如公式(6)所示：

公式(6)中，C[1](t)根据压电悬梁臂的边界条件x＝0，w₀(0,t)＝w₀(t)求解得到C[1](t)＝w₀(t)，C[2](t)根据任何时刻t，挠角为0求解得到C[2](t)＝0，从而求解梁挠度w(x,t)如公式(7)所示：

步骤2.3根据内弯矩M(x,t)求解压电层两极表面产生的电荷Q_P：

基层对应的惯性矩I_s及压电层对应的惯性矩I_p如公式(8)所示：

公式(8)中，b为梁的宽度，h_s为基层高度，h_p为压电层高度，

为基层中心轴距离压电层及基层中心轴的距离，A_s为基层面积，A_p为压电层面积，E_s为基层的杨氏模量，E_p为压电层的杨氏模量；

根据基层对应的惯性矩I_s、压电层对应的惯性矩I_p及z₀求解压电层每点的应变ε_p，如公式(9)所示：

公式(9)中的M(x,t)为内弯矩，所述内弯矩M(x,t)根据将公式(7)代入公式(2)求解；

根据平均应变

求解电位移D如公式(10)所示：

公式(10)中d₃₁为应变耦合系数，

为压电层的平均应变；

根据电位移D求解压电层两极表面产生的电荷Q_P，公式(11)所示：

步骤2.4：根据压电层两极表面产生的电荷Q_P求解没有负载情况下的极间电压，如公式(12)所示：

公式(12)中，∈^T为压电层介电系数。

本发明的有益效果在于：利用高于路面的压块将车重传递至压电堆，压电堆产生形变生d₃₃模式的发电，相较于传统埋在路面一下的压电堆减小了路面能量损耗，提高能效利用率；利用冲击锤将车速转换为向下的位移激励传递给压电悬臂梁，所述压电悬臂梁发生振动产生d₃₁模式的发电，实现了全面利用车速及车重的两种俘电来源，提高了能效利用率。

附图说明

图1为本发明一实施例中俘电装置的正视图；

图2为本发明一实施例中受竖直向位移激励w₀(t)作用下的压电悬臂梁的正视图；

图3为本发明一实施例中d₃₃和d₃₁两种俘电模式对应的功率和时间关系图；

图4为本发明一实施例中本发明的压电堆和埋在公路下压电堆产生的功率对比图；

图5为本发明一实施例中压电堆在不同车速下产生的电压历程对比图；

图6为本发明一实施例中压电堆不同车速下产生的功率历程对比图；

图7为本发明一实施例中冲击锤锤头速度和锤头高度之间的关系图；

图8为本发明一实施例中冲击锤速度和时间关系图；

图9为本发明一实施例中压电悬臂梁在两种圆频率激励下的端点和梁中点的挠度对比图；

图10为本发明一实施例中压电悬臂梁的压电层间电压对圆频率的变化图；

图11为本发明一实施例中桥式俘电电路示意图；

附图标识：1-压块、11-容置槽、12-内腔、2-冲击锤、21-锤头、22-锤柄、3-压电堆、4-压电悬臂梁、5-弹性器件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1及图2所示，一种路面冲击能的俘电装置，包含冲击锤2、压电悬臂梁4、压块1及压电堆3，所述压块1平行路面嵌入公路内部且所述压块1顶部露出路面，所述压块1底部外侧设置压电堆3，所述压块1顶部设有可容纳冲击锤锤头21的容置槽11，所述锤头21和容置槽11之间设置弹性器件5，弹性器件5可以选用弹簧，所述容置槽11底部设有通孔，所述冲击锤2的锤柄22穿过所述通孔抵达压块1内腔12，所述锤柄22最下端高于压块1内腔12底部，所述锤柄22设置垂直于锤柄22方向的压电悬臂梁4，压电悬臂梁4可以采用焊接形式和锤柄22连接，所述压电悬臂梁4包含压电层、基层及质量块，所述压电层贴在基层的上表面，所述质量块位于压电层及基层远离锤柄22的一端，本发明中的压块1形状可以为长方体也可以为圆柱体，锤柄22可以采用圆柱也可以采用正多边形体，因此对形状不做限制。

如图3所示，本发明的俘电装置工作过程如下：车轮首先接触高于路面的压块1，通过压块1将车重传递给压电堆3，压电堆3产生形变产生d₃₃模式的发电，相较于传统埋在路面以下的压电堆减小了路面能量损耗，提高能效利用率；车轮接着接触冲击锤锤头21，通过冲击锤2将车速转换为向下的位移激励传递给压电悬臂梁4，所述压电悬臂梁4发生振动产生d₃₁模式的发电，当冲击锤2向下运动触碰内腔12的底部内侧，被撞击的压电堆3承受了较大的冲击力及弹性器件5承受加大的挤压力，压电悬臂梁4恢复到原状，在这个过程当中压电悬臂梁4获得加速度较小因此获得的发电可忽略不计，当车辆不断通过时，压块及冲击锤2受到连续不断的重复撞击作用实现了全面利用车速及车重的两种俘电来源，提高了能效利用率，解决现有路面冲击能的俘电装置仅利用车重进行俘电且能效利用率较低问题。

压电悬臂梁4的发电特征是高电压、弱电流，为了增大电流，所述锤柄22设置多个垂直于锤柄22方向的压电悬臂梁4，所述多个压电悬臂梁4成对称分布，所述压电层为压电片，所述多个压电片采用并联结构连接，所述基层采用钢材料。

为了说明车轮接触冲击锤2锤头21，通过冲击锤2将车速转换为向下的位移激励传递给压电悬臂梁4，所述压电悬臂梁4发生振动产生d₃₁模式的发电，当撞击荷载(运动的车轮)落在冲击锤2上时，就使冲击锤2具有一定的动能贮备，结果就形成冲击锤2和压电悬臂梁4共同运动时的初速度，此时压电悬臂梁4发生振动产生d₃₁模式的发电，当冲击锤2向下运动触碰带压块1的内腔12底部内侧，被撞击的压电堆3承受了较大的冲击力及弹性器件5承受加大的挤压力，压电悬臂梁4恢复到原状，在这个过程当中压电悬臂梁4获得加速度较小因此获得的发电可忽略不计，利用车速通过压电悬臂梁4发电具体过程如下：

I、当车轮刚开始接触时如图1所示，θ可以表示成

a＝R-h

对应的圆弧长

l_R＝Rθ

锤头21完全下陷的时间为

锤头21高度为h,，那么冲击速度为

经过试算，得到表1，显然锤头21的冲击速度和车速是线性增长的关系，锤头21高度越大锤头21的冲击速度也更大。

这样以来，就可以将车速转换为锤头21的冲击速度，非常类似机械行业中的自由锻的冲击锤2。利用冲击来联动压电悬臂梁4，参图3右。同时，锤头21还承受着车重，可作用在下部的压电堆3，参图3左。交通车流是连续不断的，会反复进行如此的过程，从而连续不断的产生俘电电流。

表1不同车速对应的锤头速度

II、车轮碾压过锤头21的阶段：这个阶段的锤头21运动主要由车重、压块下部压电堆3变形Δ、碾压时间τ_II来确定，即

根据几何关系，一般θR比d大，那么τ_I也大于τ_II。

这时，锤头21的下降速度是

一般来说，这个值是比较小的。对于压电悬臂梁4的发电是可以不计入的。

III、这阶段和I、II阶段是相反的，锤头21在车轮和弹簧、压电堆3恢复变形的影响下，又弹回到原状。

由以上几个条件，可以做出单个车轮碾压过锤头21时，冲击锤2的速度随时间的变化，如图7所示。经过τ_L的时间，由于车辆的后轮，冲击锤2会发生类似的运动，照此办理，另一辆车也会使俘电装置的冲击锤2产生相似的速度变化，但是由于车速和车重的不同，这个变化图7也是不一样的。路面上的车辆是连续不断的，冲击锤2也随之发生不间断的运动。

本发明还提供一种路面冲击能的俘电方法，包括如下步骤：

步骤1：车轮首先接触压块1并将车重传递给压电堆3，所述压电堆3发生形变产生d₃₃模式的电荷，从而求出电压、电能及功率：

一辆车的前后轮碾压到压块上的力F可以表示成两个半波，即

F₀为加载到压电堆3上的车重，一般取1/4的总车重，碾压时间τ_D＝D/V，两轮的相隔时间τ_L＝L/V，V为车速，D为压电堆3平行车辆行驶方向的直径，L为车轴距；

当汽车碾上压电堆时，重力做功为

式中，Δ主要是压电堆的变形，决定于车速、压块直径D，另外，Δ也用来确定压块露出地面的高度。

碾压力做功部分转化为压电堆的电位移(表面电荷)和变形，根据

得出电位移

E为电场强度(V/m)，

为压电椎的内应力，S应变等于Δ/h，∈^T表示在常应力下的介电常数，s^E表示常电场时的刚度常数，d₃₃表示耦合系数。如果压电堆的横截面积为A，压电片厚度为h，压电片数为n，压电堆的高度为l＝n*h，等效电容为

根据电荷量Q＝nAD，得到以下公式：

步骤2：车轮接触冲击锤2锤头21并将车速转换为位移激励传递给压电悬臂梁4，所述压电悬臂梁4发生振动产生d₃₁模式的电量及电压为：

其中，ε_p为压电层每点的应变和车速有关，b为压电悬臂梁4的梁宽度，L为压电悬臂梁4的梁长度，d₃₁为应变耦合系数。

进一步地，步骤二包括如下步骤：

步骤2.1：车轮接触锤头21时，压电悬臂梁获得冲击速度相当于给压电悬臂梁4施加的一个位移激励w₀(t)，此时压电层发生d₃₁模式的相变，并在两个电极表面产生符号相反的电荷，引起压电层内的极间电压来发电，所述位移激励w₀如公式(1)所示：

w₀(t)＝A₀sinωt (1)

公式(1)中，A₀为振幅，ω是圆频率和车速有关；

步骤2.2：在竖向激励w₀的作用下，利用压电悬臂梁4的运动微分方程求解梁挠度w(x,t)，所述压电悬臂梁4的运动微分方程如公式(2)所示：

公式(2)中，EI为压电悬臂梁4的抗弯模量，内弯矩M(x,t)包含两个部分：第一部分是由分布质量

引起的内弯矩M_q如公式(3)所示：

第二部分是由质量块M引起的内弯矩M_F如公式(4)所示：

将公式(3)和公式(4)代入公式(2)中，得到压电悬臂梁4受位移激励w₀(t)的振动方程，如公式(5)所示：

求解公式(5)得到梁挠度w(x,t)如公式(6)所示：

公式(6)中，C[1](t)根据压电悬梁臂的边界条件x＝0，w₀(0,t)＝w₀(t)求解得到C[1](t)＝w₀(t)，C[2](t)根据任何时刻t，挠角为0求解得到C[2](t)＝0，从而求解梁挠度w(x,t)如公式(7)所示：

步骤2.3根据内弯矩M(x,t)求解压电层两极表面产生的电荷Q_P：

基层对应的惯性矩I_s及压电层对应的惯性矩I_p如公式(8)所示：

公式(8)中，b为梁的宽度，h_s为基层高度，h_p为压电层高度，

为基层中心轴距离压电层及基层中心轴的距离，A_s为基层面积，A_p为压电层面积，E_s为基层的杨氏模量，E_p为压电层的杨氏模量；

根据基层对应的惯性矩I_s、压电层对应的惯性矩I_p及z₀求解压电层的应变ε_p，如公式(9)所示：

公式(9)中的M(x,t)为内弯矩，所述内弯矩M(x,t)根据将公式(7)代入公式(2)求解；

根据平均应变

求解电位移D如公式(10)所示：

公式(10)中d₃₁为应变耦合系数，

为压电层的平均应变；

根据电位移D求解压电层两极表面产生的电荷Q_P，公式(11)所示：

步骤2.4：根据压电层两极表面产生的电荷Q_P求解没有负载情况下的极间电压，如公式(12)所示：

公式(12)中，∈^T为压电层介电系数。

为了清楚说明轮接触压块1并将车重传递给压电堆3，所述压电堆3发生形变产生d₃₃模式发电，现给出一个具体实施例，压电堆3包含多个压电柱，其设计参数如下：

如图4所示，埋在地下俘电装置(虚线表示)和本发明的俘电装置(实线表示)进行了功率对比，可知本发明的俘电装置能效利用率更高。一般而言压力幅值F₀取车重的1/4，显然车速越快，碾压时间τ越小。

F＝F₀sinωt

0≤t≤τ

式中，T是半波周期，ω为圆频率，上面一点表示对时间求导。

然后，发电器的电压U、电能W、发电功率P可表示成

根据上式，可计算出时速分别为不同时速对应的发电电压、功率历程，图5和图6分别表示d₃₃俘电模式下，时速分别为40km/h、80km/h、120km/h对应的压电堆3发电电压和功率历程，可以发现：电压取决于车重，车速对压电堆的发电功率影响显著。

为了清楚说明轮接触压块1并将车重传递给压电堆3，所述压电堆3发生形变产生d₃₁模式发电，先给出一个具体实施一，压电堆3的设计参数如下：

L(mm)	b(mm)	h<sub>S</sub>	h<sub>P</sub>	E<sub>S</sub>(GPa)	E<sub>P</sub>	d<sub>31</sub>(Cm<sup>-2</sup>)	∈<sup>T</sup>(C/V/m)	∈<sup>T</sup>/∈<sub>0</sub>
									60	20	1	0.2	210	4	0.04	8.854E-12	800

如图2所示，示一个受竖向位移激励w₀(t)作用的压电层合悬臂梁，层合梁上部是压电材料，下部一般是钢片在端部有质量块用来调系统频率，梁长为L。

设置质量块M＝30g，图9给出了压电悬臂梁4在不同圆频率时对应不同位置挠度值，端点的挠度幅度几乎是中点几倍，同时可以看出在一个振动周期内，圆频率对挠度影响显著，而圆频率对应车速的角速度，因此可得出车速对挠度影响显著，这一点，在整个梁长范围内都是成立的，因此在结构不损坏的前提下，应尽量提高激励频率，挠度是由于激励的加速度引起的，也就是说匀速的激励对于挠度是没有用的。

图10给出了压电悬臂梁4的压电层间电压对圆频率的变化，阶段电压是逐渐增大的，这是因为挠度计算没有考虑梁本身的惯性和粘性，所以只能用于激励加速度不太大的情况。

接下来将本发明的俘电装置运用于具体电路中进行储能及供电，将压电悬臂梁4的多个压电片及压电堆的多个压电柱并联起来，如图11所示，该储电电路工作过程如下：

图11这是个全波整流电路，在负载两端并联一个电容器C，电路中的二极管起一个开关作用，二极管后加入了一个储电电容。若压电层发出一个正弦电波，经过整流电桥D1后形成一个脉冲电流，对电容C，并通过二极管D2对储电电容器(负载)充电；当电路无电或供应电压小于储电电容极间电压时，电容器C将对对储电电容或负载放电，从而使充电电流趋于平稳，电流都流入了储电电容。整流管D2受到反向作用而截止，储电电容在第一个充电周期后由于没有放电回路，故在以后各周期，它两端的电压保持不变。在储电电容充满后，电容C起一个交流电流通道的作用，因此其电导要很大；若将负载接入，电容器C与其组成一个放电回路，所以当二极管不导电时，电容器贮存的电荷通过R放电，放电的时间常数是RC。

综上，本发明的俘电装置包含两类发电器件，首先固定在锤头21上的悬臂梁，利用车速引起的位移激励来发电；其二是位于压块底部的压电堆3，通过车重发电。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种路面冲击能的俘电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：车轮首先接触压块并将车重传递给压电堆，所述压电堆发生形变产生d₃₃模式的电荷，从而求出电压、电能及功率：

Q＝nd₃₃Fl＝CU，

其中，n为压电堆的压电片数，h为压电堆的压电片高度，l＝n*h为压电堆的高度，A为压电堆的横截面积，∈^T为在常应力下的介电常数，d₃₃为耦合系数，

为等效电容，

为压电椎的内应力，

为施加在压电堆的有效车重，F₀为加载到压电堆上的车重，一般取1/4的总车重，碾压时间τ_D＝D/V，两轮的相隔时间τ_L＝L/V，V为车速，D为压电堆平行车辆行驶方向的直径，L为车轴距；

步骤2：车轮接触冲击锤锤头并将车速转换为位移激励传递给压电悬臂梁，所述压电悬臂梁发生振动产生d₃₁模式的电量及电压为：

其中，ε_p为压电层每点应变和车速有关，b为压电悬臂梁的梁宽度，L为压电悬臂梁的梁长度，d₃₁为应变耦合系数。

2.根据权利要求1所述的一种路面冲击能的俘电方法，其特征在于，步骤二包括如下步骤：

步骤2.1：车轮接触锤头时，相当于给压电悬臂梁施加的一个位移激励w₀(t)，此时压电层发生d₃₁模式的相变，并在两个电极表面产生符号相反的电荷，引起压电层内的极间电压来发电，所述位移激励w₀如公式(1)所示：

w₀(t)＝A₀sinωt (1)

公式(1)中，A₀为振幅，ω是圆频率，和车速相关；

步骤2.2：在竖向激励w₀的作用下，利用压电悬臂梁的运动微分方程求解梁挠度w(x,t)，所述压电悬臂梁的运动微分方程如公式(2)所示：

公式(2)中，EI为压电悬臂梁的抗弯模量，内弯矩M(x,t)包含两个部分：第一部分是由分布质量

引起的内弯矩M_q如公式(3)所示：

第二部分是由质量块M引起的内弯矩M_F如公式(4)所示：

将公式(3)和公式(4)代入公式(2)中，得到压电悬臂梁受位移激励w₀(t)的振动方程，如公式(5)所示：

求解公式(5)得到梁挠度w(x,t)如公式(6)所示：

公式(6)中，C[1](t)根据压电悬梁臂的边界条件x＝0，w₀(0,t)＝w₀(t)求解得到C[1](t)＝w₀(t)，C[2](t)根据任何时刻t，挠角为0求解得到C[2](t)＝0，从而求解梁挠度w(x,t)如公式(7)所示：

步骤2.3根据内弯矩M(x,t)求解压电层两极表面产生的电荷Q_P：

基层对应的惯性矩I_s及压电层对应的惯性矩I_p如公式(8)所示：

公式(8)中，b为梁的宽度，h_s为基层高度，h_p为压电层高度，

为基层中心轴距离压电层及基层中心轴的距离，A_s为基层面积，A_p为压电层面积，E_s为基层的杨氏模量，E_p为压电层的杨氏模量；

根据基层对应的惯性矩I_s、压电层对应的惯性矩I_p及z₀求解压电层的应变ε_p，如公式(9)所示：

公式(9)中的M(x,t)为内弯矩，所述内弯矩M(x,t)根据将公式(7)代入公式(2)求解；

根据平均应变

求解电位移D如公式(10)所示：

公式(10)中d₃₁为应变耦合系数，

为压电层的平均应变；

根据电位移D求解压电层两极表面产生的电荷Q_P，公式(11)所示：

步骤2.4：根据压电层两极表面产生的电荷Q_P求解没有负载情况下的极间电压，如公式(12)所示：

公式(12)中，∈^T为压电层介电系数。

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