CN1292930C - 汽车振动能量压电发电方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用汽车振动能量压电发电的方法及其系统，将压电装置置于汽车悬挂系统中，利用振动能量产生电能，并作为一种电力供应加以存储和利用。该系统包括：至少一个置于汽车悬挂系统中的压电装置，用于将振动能量转换为电能；一个电力变换装置，用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置或最终用电负载；至少一个储能装置或最终用电负载；上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置又分别与储能装置或最终用电负载相连。本发明为车辆提供了新的能量来源，尤其对于电动汽车和混合动力汽车，所获得的电能可直接供动力电源使用，从而有效增加车辆的续驶里程。采用适当的控制策略，本发明还具有半主动减振的作用。

Description

汽车振动能量压电发电方法及其系统

技术领域

本发明涉及汽车车载发电的方法及系统，特别是一种汽车振动能量压电发电方法及其系统。

背景技术

压电电源的工作原理是基于正压电效应，压电材料是它们的核心工作物质。

20世纪60年代末，中国科学院上海硅酸盐所和上海精密医疗器材厂合作研究压电手提式X光机电源，成功地获得U_max＝60kV，I_max＝3mA的直流高压。

Charles G.Triplett申请的美国专利US.No.4504761，题目是“安装在车辆上的压电发生器”，公开了配置在车辆轮胎上的压电发生器，该装置利用车轮转动期间施加到轮胎上的压力产生电能。

金东局申请的中国发明专利CN 1202014A，题目是“具有连到振动源的压电元件的压电发生器及其制造方法”，公布了一种利用车辆发动机机械振动能产生电的压电发生器。该发明包括压电元件和存储压电元件产生的电能的电路。每个压电元件具有压电薄膜和压电薄膜的支持部件。把剩余压力施加到支持部件，以使压电元件向上弯曲。设置DC/AC转换器，把压电元件产生的直流电转换成交流电，设置变压器和二极管，防止从蓄电池放电。

以上例子表明利用压电材料的正压电效应制作各种类型的电源是可行的，它特别适用于各种移动设备的电源。这种电源的内阻抗是容性的，通过压电效应的转换，即使在静态和准静态条件下工作，也能转换K².W_机的电能(K是机电耦合系数，K²是衡量机电能量转换的能力)。目前有多种K≥0.7的压电材料已经研制成功并完成产业化，选择其中压电系数d₃₃、g₃₃高，机械强度高，反复加压后性能稳定，介电常数较大的材料，可作为较理想的发电工作物质。

汽车的传统悬挂系统为被动式悬挂系统，都采用了弹簧和减振器两种基本元件。为了追求良好的乘坐舒适性和良好的操纵稳定性再使用定刚度弹簧和定阻尼减振器的传统悬架已不能满足，多种采用电子技术的汽车悬架系统被发展出来。其中的主动悬架技术由于采用了气压或油压控制车身与车桥之间的作用力，因而性能优越，但是需要较大能耗。之后提出的半主动悬架技术，用可调弹簧或可调减振器组成悬架，并根据簧载质量的速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律，调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。与主动悬架相比，半主动悬架控制系统消耗的能量很小，造价较低，在商业上得到了广泛地应用。半主动悬架技术主要采用液压或者是电磁方式实现。

日本丰田汽车公司发展了一种供轿车使用的压电式电子控制悬挂系统(TEMS)，这是一种可以改变液压阻尼力的半主动式悬挂系统。在该系统的减振器中，安装了以压电陶瓷为材料的路面传感器和压电作动器。该系统中的压电路面传感器将路面不平所引起的振动信号转化为电信号送往微处理器，微处理器对该信号进行处理，根据控制策略控制开关电源驱动压电作动器产生伸缩变形，压电作动器进一步驱动减振器开关阀的阀芯产生位移，改变减振器的阻尼力，从而实现悬架系统的半主动减振控制。

由于压电材料即是介电体，又是弹性体，具有正、逆压电效应和一般弹性体性质，因而同时有电学和力学性质，其电行为与机械行为是相互耦合的。利用压电材料的这种机电耦合特性，将压电元件与包括电阻元件、电容元件、电感元件和开关器件等在内的电器元件组成的电路并联，可以组成完整的压电阻尼系统。通过选定和压电元件并联的不同电路形式，不同电器元件的组合形式和参数大小，可以设计出不同的可控压电阻尼形式，对结构系统的振动进行被动、半主动和主动—被动杂交的抑制和控制。

如将压电元件和电阻并联形成的压电阻尼系统，对结构的减振是通过焦耳热耗散能量来实现，被称为压电黏性阻尼技术。

又如将压电元件和电容并联形成的压电阻尼系统，可以改变压电元件的有效刚度，利用这种原理，可以研制具有机械动力吸振器性质的压电阻尼减振系统。

又如将压电元件和开关元件并联形成的转换型半主动压电阻尼系统，通过开关元件断开和闭合的转换，可以实现等效刚度的较大改变，从而控制振动能量在结构系统中的流向。

压电阻尼减振技术已在若干的体育运动用品中得到应用。例如，美国K2公司的设计者将压电材料嵌入进雪橇中，当雪橇因振动发生变形时，压电材料也随之发生变形，将振动能转化为电能；并使用电阻和压电材料并联形成压电阻尼系统，将这些能量以焦耳热的形式耗散。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种汽车振动能量压电发电的方法及系统，将压电装置置于汽车悬挂系统中，利用振动能量产生电能，并作为一种电力供应加以存储和利用。本发明提出的汽车振动能量压电发电的方法及系统是一种收集耗散能量的新型发电方法及系统，为汽车提供了新的能量来源。这对电动汽车和混合动力汽车而言尤为重要，可以有效提高续驶里程，具有显著的经济价值和社会价值。

另外，在利用振动能量压电发电的过程中，采用适当的控制方法，可以使本系统起到半主动减振的作用。这是本发明的又一目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：

一种利用汽车振动能量压电发电的方法，将压电装置置于汽车悬挂系统中，将汽车的振动能量转化成电能并作为电力供应加以存储或利用；该方法包括以下步骤：

a.在汽车悬挂系统中加入至少一个压电装置，用于接收汽车悬架的振动能量，该压电装置中的压电材料作为工作介质，并利用正压电效应将振动能量转化成电能；

b.将压电装置产生的电能送至一个电力变换装置中，由该电力变换装置对电能进行调整和变换；

c.电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置或最终用电负载接收，并对电能进行存储或利用。

本发明的方法的其它特点是，所述的电力变换装置包括控制模块和功率模块，由控制模块发出指令，功率模块接收并执行指令，对电能的产生、存储和利用加以控制。

所述的电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置接收时，电力变换装置对储能装置的充电电压和电流进行控制。

所述的电力变换装置调整和变换后的电能由最终用电负载接收时，电力变换装置对最终用电负载的供电电压和电流进行控制。

所述的电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

1)整流过程，将压电材料产生的交流电变为直流电；

2)DC/DC变换过程，对步骤1)产生的直流电进行电压和电流变换。

所述的电力变换装置中含有以控制器为核心的控制模块，并安装检测车身运动的传感器，由控制器执行控制策略，在利用汽车振动能量发电的同时，对汽车振动进行半主动减振控制，实现显著的减振效果。

实现上述方法的汽车的振动能量压电发电系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个置于汽车悬挂系统中的压电装置，该压电装置与汽车悬挂系统的弹簧串联，用于将振动能量转换为电能；

一个电力变换装置，由功率模块和控制模块组成，功率模块用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置或最终用电负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，使振动能量转化成电能，并为储能装置存储或最终用电负载利用；

一个储能装置或最终用电负载，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能；

上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置分别与储能装置或最终用电负载相连。

上述系统的其它特点是，所述压电装置包括下活塞杆、上活塞、液压缸和压电元件；下活塞杆的一端和上活塞置于液压缸中，其间充满液体；下活塞杆和悬挂系统的减振弹簧相连，减振弹簧把由车底质量振动形成的力传递给下活塞杆，通过液体压强传递给上活塞，上活塞上和车体间放置着压电元件；

所述的压电元件采用多层压电薄片并联起来的压电堆。

所述的压电元件为压电陶瓷或铁电性压电材料或压电复合材料。

所述电力变换装置的功率模块包括全桥整流装置和DC/DC变换器，全桥整流装置和压电元件的电能输出端子相连，用于将压电元件产生的交流电转换成直流电；DC/DC变换器和全桥整流装置连接，用于调整全桥整流装置输出的电压和电流；功率开关器件在DC/DC变换器中，用来执行控制信号传达的指令。

所述电力变换装置的控制模块包括：传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路；传感器置于压电装置、电力变换装置的功率模块上，用于获得微处理器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，获得传感器得到的信号，并输出控制信号；控制信号经光电隔离电路，送至功率模块的功率开关器件的控制端。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)为车辆提供了新的能量来源，将以往未加以利用的车辆振动能量加以利用，尤其对于电动汽车和混合动力汽车增加续驶里程具有显著意义；

2)由于压电发电是一种介质发电方式，与采用普通发电机方式发电相比，具有结构简单，响应快，特别适合交变动力驱动方式。

3)由于压电材料具有很高的能量密度，因此压电装置体积小、重量轻，便于安装和对现有悬挂系统进行改造；

4)本系统应用广泛，可用于汽车，电动汽车，混合动力汽车及多种特种车辆和军用车辆。

5)在利用振动能量压电发电的过程中，采用适当的控制方法，可以使本系统在发电同时起到半主动减振的作用。和在技术背景中介绍的压电式TEMS系统不同，本发明不是通过改变减振器的液压阻尼力来实现振动控制，而是通过改变压电元件的有效负载，调节其压电阻尼来实现半主动振动控制。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2是第一实施例中压电装置的原理图；

图3是第一实施例中电力变换装置中功率模块的电路原理图；

图4是第一实施例中电力变换装置的控制原理图。

图5是第二实施例中电力变换装置中功率模块的电路原理图；

以下结合附图和发明人给出的实施例，对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

参见图1～4，依照本发明的技术方案，第一实施例的技术路线是：在车辆悬挂系统的弹簧和车体之间插入至少一个压电装置，该装置与弹簧串联；图2给出了第一实施例中压电装置的结构。根据压应力作用下的压电材料产生的电压和一次储能公式：

U＝Q/C                                                    (1)

$W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}---\left(2\right)$

可以看到一次受压储能的能力是跟压电材料受压后的电压的平方成正比的。压电材料产生电压的公式为：

$U=g_{33}\frac{t}{\mathrm{lW}}F---\left(3\right)$

其中g₃₃是压电纵向电压常数，l，W和t分别是压电材料的长、宽和厚度。从公式(3)可知，压电材料受应力产生的电压与其所受的力F成正比。为了提高压电转换能力，采用如图2所示的压电装置来提高压电材料所受的压应力。

该装置由下活塞杆4、上活塞2、液压缸缸体3和压电堆1组成。下活塞杆4的一端和上活塞2置于液压缸缸体3中，其间充满液压油。液压缸缸体3和压电堆1分别与车身固定连接。液压缸弹簧5把由簧下质量振动形成的力传递给下活塞杆4。下活塞杆4在液压缸缸体3中移动产生压强变化，通过油液将压强变化传递给了上活塞2，上活塞2直接挤压压电堆1，在压电堆1上产生一个新的应变。由于下活塞的有效面积远小于上活塞的有效面积，压电堆所受压应力的变化相对于活塞杆的应力变化被按一定比例放大。根据正压电效应原理，压电材料表面会产生电荷，从而形成公式(1)中的电势。由公式(3)，这个电压与压电材料的厚度t成正比。为了降低该电压，采用多层压电薄片并联起来制成的压电堆。这种设计可以保证既可以提供足够体积的工作物质，又能使压电材料产生的电压不至于过高，便于电力变换装置对电能进行转换和回收。压电堆采用压电陶瓷材料PZT，根据所选材料型号的不同，其机电耦合系数K₃₃为0.7～0.92，具有较高的机电转换效率。

电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

整流过程，将压电材料产生的交流电变为直流电；

DC/DC变换过程，对整流过程产生的直流电进行电压和电流变换。

变压过程，当压电材料产生的电压过高时，在整流过程前先进行降压处理，将电压降低到整流元件所能耐受的电压范围。

电力变换装置包括功率模块和控制模块。

图3给出了第一实施例中电力变换装置的功率模块的电路原理图。该电路由整流器和DC/DC变换器两大部分组成。整流器的输入端和压电元件的电能输出端子相连。整流器采用全桥整流电路，由4个二极管D₁、D₂、D₃和D₄构成。整流器的输入端和压电元件的电能输出端子相连。DC/DC变换器的输入端和全桥整流装置输出端连接。DC/PC变换器由电感L₁、电容C、功率开关器件K₁和续流二极管D₅组成，实现按斩波方式工作的降压电路。DC/DC变换器的输入端和全桥整流装置输出端连接。功率开关器件K₁采用IGBT IPM智能功率模块，模块内含有IGBT必需的驱动和保护电路。

图4给出了第一实施例中电力变换装置的控制原理图，控制模块由电流传感器、电压传感器、滤波电路、微处理器和光电隔离电路组成。微处理器采用TI公司DSP芯片TMS320LF2407。电压传感器采用电流型电压传感器，电流传感器采用电流型电流传感器。电流电压传感器用来采集DC/DC变换器输出端的电压和电流信号，经滤波电路处理，送至DSP的A/D端口进行数据采集，采集结果经DSP处理后，以PWM的形式输出控制信号。PWM信号经由光电隔离电路，送至智能功率模块IPM的控制端，对功率管K₁的开关状态进行控制。信号采集和控制频率为1～2kHz；PWM调制频率范围为10kHz～20kHz。滤波器采用典型的由运算放大器搭建的滤波电路，光电隔离电路由光电耦合器实现。控制模块所需的各种电平由车载蓄电池经普通DC/DC开关电源提供。

在第一实施例中，电力变换装置向储能装置充电，储能装置为铅酸蓄电池。

本发明的具体工作原理是：

汽车运行过程中，由于振动的作用，压电装置不断受到变化的应力作用。经压电装置中液压缸的放大作用，数吨的应力被加载在压电装置中的压电元件上，在压电元件的两极产生了电荷和电压，根据设计，开路最高电压被限定在500V以下。当电压的绝对值高于整流器右侧的电容器C电压时，压电元件向电容C充电；否则，压电元件为开路。在电力变换装置中，控制模块通过对传感器信号的采样值，进行对PWM信号占空比的调节。当占空比增大，功率管导通时间增长，即充电时间增长，电容C的端点压下降，压电元件向电容C充电的导通电压降低；当占空比减小，功率管导通时间减少，即充电时间减少，电容C的端点压上升，压电元件向电容C充电的导通电压升高。通过PI控制算法，可以让电池两端的充电电压维持在某一设定值，而该设定值可以通过试验或自适应算法加以设定。设定该值的原则是使更多的振动能量转化为电能。电感L₁和D₅可以在功率管K₁断开时和蓄电池构成续流回路，继续向电池充电。通过传感器对蓄电池充电电压和充电电流进行的检测，当蓄电池已充满时，控制器停止对蓄电池进行充电。

下面给出第二实施例，用以说明系统在实现振动能量发电的同时，还对车体的振动进行半主动控制。第二实施例是和第一实施例的区别在于，电力变换装置的功率模块采用图5所示的原理图，而在压电装置中邻近压电堆1的液压缸缸体3上安装检测车身运动速度的压电传感器，同时采用压电发电和半主动减振并行的控制策略。

图5给出了第二实施例中电力变换装置的电路原理图。它和图3的区别在于增加了一个受DSP芯片控制的IGBT IPM智能功率模块K₂，它被置于全桥整流电路的正输出端和电容C的正极之间。

下面分析电路的工作原理。电路的控制系统根据速度传感器信号判断车身的运动速度。当速度为向上时，控制器给出控制信号，使功率器件K₁断开，K₂导通，并且当压电元件产生的电压绝对值也高于电容C两端的电压时，整流器导通，压电元件的等效刚度减少，减缓车身的向上运动，压电元件向电容C充电；当速度为向下时，控制器给出控制信号，使功率器件K₂断开，压电元件的等效刚度增大，抑制车身的向下运动，压电元件的变形能由机械刚度和压电电容存储，同时K₁由PWM波控制，按一定的占空比，电容C对蓄电池进行充电。通过对K₁占空比的调节，可使蓄电池获得合理的充电电压和充电时间。从上面论述可以看出，电容C充电过程和蓄电池充电过程在时间上交替进行，电容C充电过程对应于车体向上运动过程，蓄电池充电过程对应于车体向下运动过程。同时，由于压电元件产生的电压远高于蓄电池的电压，所以整个系统的死区很小，保证系统具有较高的发电和减振效率。

虽然已经参照以上两个实施例讨论了用于汽车振动能量压电发电系统，但应理解，汽车振动能量压电发电系统的构造细节和各部件与元件的配置不限于实施例中所述情形，因而在不背离本发明的技术原理的原则下，可做出各种改变和变形。

如压电元件可以采用压电陶瓷或铁电性压电材料或压电复合材料。

如压电装置可以使用已公开的各种机构，包括机械式、液压式、气动式、微机电式机构以及它们的各种组合，提高其中作为核心工作物质的压电元件将振动能量转换为电能的能力。

如电力变换装置的功率模块包括整流装置，DC/DC变换器和相关接口电路和必要的变压装置。

如电力变换装置的功率器件采用各种广泛使用的器件，包括但不限于功率晶体管GTR、金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT和门极关断晶闸管GTO。

如控制器采用模拟控制器、数字控制器和模拟数字混合控制器，模拟控制器包括分立元件构成的模拟控制器或可编程模拟器件构成的控制器，数字控制器包括微处理器、单片机、DSP、CPLD和FPGA其中的一种；

如传感器采用电压传感器或电流传感器或机械传感器。

如储能装置为各种蓄电池、超级电容和飞轮。

如最终用电负载为电阻性负载或电感性负载或电容性负载或它们的组合。

虽然已经展示并描述了本实施例的压电式振动能量变换系统，其中，压电装置与汽车悬挂系统的弹簧串联，用于将振动能量转换为电能，但应理解，利用压电效应来实现能量的回收，压电装置的安装可不限于与弹簧串联。压电装置也可安装于悬挂系统的其它位置，并以串联或并联方式与悬挂系统或其部件进行连接。

虽然以上文已参照特定的实施例和本发明的例子描述了本发明，但本发明不限于以上描述的实施例。按照本发明的技术原理，本领域普通技术人员按照上述技术原理对上述实施例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用汽车振动能量压电发电的方法，其特征在于，将压电装置置于汽车悬挂系统中，利用振动能量产生电能，并作为一种电力供应加以存储和利用；该方法包括以下步骤：

a.在汽车悬挂系统中加入至少一个压电装置，用于吸收汽车悬架中的振动能量，该压电装置中的压电材料作为工作介质，在压电效应作用下将振动能量转化成电能；

所述的压电装置包括下活塞杆、上活塞、液压缸和压电元件；下活塞杆的一端和上活塞置于液压缸中并在其间充满液体；下活塞杆和悬挂系统的减振弹簧相连，减振弹簧把由车底质量振动形成的力传递给下活塞杆，通过液体压强传递给上活塞，上活塞上和车体间放置着压电元件，压电元件是采用多层压电薄片并联起来构成的压电堆；

b.将压电装置产生的电能送至一个电力变换装置中，由该电力变换装置对电能进行调整和变换；

c.电力变换装置调整和变换后的电能供给储能装置或最终用电负载，进行电能的存储或利用。

2.如权利要求1所述的利用汽车振动能量压电发电的方法，其特征在于，所述的电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置接收时，电力变换装置对储能装置的充电电压和电流进行控制；所述的电力变换装置调整和变换后的电能由最终用电负载接收时，电力变换装置对最终用电负载的供电电压和电流进行控制。

3.如权利要求1所述的利用汽车振动能量压电发电的方法，其特征在于，所述的电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

1)整流过程，将压电材料产生的交流电变为直流电；

2)DC/DC变换过程，对步骤1)产生的直流电进行电压和电流变换。

4.如权利要求1所述的利用汽车振动能量压电发电的方法，其特征在于，所述的电力变换装置中含有以控制器为核心的控制模块，并安装检测车身运动的传感器，由控制器执行控制策略，在利用汽车振动能量发电的同时，对汽车振动进行半主动减振控制。

5.一种汽车的振动能量压电发电系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个置于汽车悬挂系统中的压电装置，该压电装置与汽车悬挂系统的弹簧串联，用于将振动能量转换为电能；

所述压电装置包括下活塞杆、上活塞、液压缸和压电元件；下活塞杆的一端和上活塞置于液压缸中并在其间充满液体；下活塞杆和悬挂系统的减振弹簧相连，减振弹簧把由车底质量振动形成的力传递给下活塞杆，通过液体压强传递给上活塞，上活塞上和车体间放置着压电元件；压电元件采用多层压电薄片并联构成压电堆；

一个电力变换装置，由功率模块和控制模块组成，功率模块用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置或最终用电负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，使振动能量转化成电能，并为储能装置存储或最终用电负载利用；

至少一个储能装置或最终用电负载，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能；

上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置分别与储能装置或最终用电负载相连。

6.如权利要求5所述的汽车振动能量压电发电系统，其特征在于：所述的压电装置中的压电元件为压电陶瓷或铁电性压电材料或压电复合材料。

7.如权利要求5所述的汽车振动能量压电发电系统，其特征在于，所述电力变换装置的功率模块包括全桥整流装置和DC/DC变换器，全桥整流装置和压电元件的电能输出端子相连，用于将压电元件产生的交流电转换成直流电；DC/DC变换器和全桥整流装置连接，用于调整脉全桥整流装置输出的电压和电流；功率开关器件在DC/DC变换器中，用来执行控制信号传达的指令。

8.如权利要求5所述的汽车振动能量压电发电系统，其特征在于，所述电力变换装置的控制模块包括：传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路；传感器置于压电装置和电力变换装置的功率模块上，用于获得控制器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，获得传感器得到的信号，并输出控制信号；控制信号经光电隔离电路，送至功率模块的功率开关器件的控制端。

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