CN1328836C - 轨道车辆振动能量压电发电方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆振动能量压电发电的方法及其系统，利用置于轨道车辆减振系统中的压电装置获取振动能量并产生电能，作为一种电力供应加以存储和利用。系统包括至少一个压电装置，压电装置与轨道车辆减振系统的弹簧串联，用于将振动能量转换为电能；压电装置包括外活塞、内活塞、液压缸和压电元件；外活塞和液压缸直接受到轨道车辆振动的作用，产生相对运动，外活塞通过油液将压强传递给内活塞，内活塞和液压缸底之间放置着压电元件；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，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能，为轨道车辆提供了新的能量来源。

Description

轨道车辆振动能量压电发电方法及其系统

                        技术领域

本发明涉及轨道车辆车载发电的方法及系统，特别是一种轨道车辆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。

金东局申请的中国发明专利CN1202014A，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。

上述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。

一般的认为，轨道车辆的振动类型主要分为竖向振动，横向振动和蛇行运动。这些振动对运行车辆的安全性和平稳性有很大的影响。我国国家标准GB5599-85关于铁路客车车体振动加速度的评定标准为：竖向水平：a≤0.2g＝200cm/s²，横向水平：a≤0.15g＝150cm/s²；关于货车车体振动加速度的评定标准为：竖向水平：a≤0.7g＝700cm/s²，横向水平：a≤0.5g＝500cm/s²。轨道车辆的蛇行运动没有具体的评定标准，但是对运行中的车辆来说，蛇行运动的作用是十分明显的。将这些振动能量回收利用起来，能创造很大的经济价值和社会价值。

目前，对轨道车辆振动能量的研究大都是开发各种减振器来耗散这些振动能量。已开发的半主动悬挂控制减振装置就是把安装在各个转向架上的横向(被动)减振器换成可变阻尼减振器，控制方法采用的是天棚阻尼器控制。在2004年第26卷第1期《铁道学报》中提到，新干线采用的可变阻尼减振器是一种高速电磁阀方式的可变阻尼减振器。这种减振器是通过高速电磁阀的转换来控制油路中节流孔的组合，以此改变流路面积，并最终实现对阻尼力的调节。

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，提出一种轨道车辆振动能量压电发电的方法及系统，将压电发电装置置于轨道车辆减振系统中，利用振动能量产生电能，并加以存储和利用。本发明提出的轨道车辆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，为轨道车辆提供了新的能量来源，具有显著的经济价值和社会价值。

本发明的另一目的在于，在利用振动能量压电发电的过程中，采用适当的控制方法，使本系统起到半主动减振的作用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：

一种利用轨道车辆振动能量压电发电的方法，其特征在于，将压电装置置于轨道车辆减振系统中，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：

第一步，在轨道车辆减振系统中置入至少一个压电装置，用于接收轨道车辆悬架的振动能量，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；

第二步，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；

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，在利用轨道车辆振动能量发电的同时，对轨道车辆的振动进行半主动减振和降噪控制；

第三步，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。

实现上述方法的轨道车辆的振动能量压电发电系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个置于轨道车辆减振系统中的压电装置，该压电装置与轨道车辆减振系统的弹簧串联，用于将振动能量转换为电能；所述压电装置包括外活塞、内活塞、液压缸和压电元件；外活塞和液压缸直接受到轨道车辆振动的作用，产生相对运动，外活塞通过油液将压强传递给内活塞，内活塞和液压缸底之间放置着压电元件；

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开关器件进行控制，调节储能装置的充电电压和电流或调节最终用电负载的供电电压和电流，并为储能装置存储或最终用电负载便用；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接。

上述系统的其它特点是，所述压电装置安装在车体与转向架、转向架与轮对之间的减振系统中，用以吸收横向和竖向振动能量，或安装在两节车体之间，用以吸收轨道车辆因蛇形运动产生的振动能量。

所述的压电元件为压电陶瓷或铁电性压电材料或复合压电材料。

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。

所述的压电元件由单片或多层压电薄片组成，包括积层式压电堆结构。

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。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)提供了新的能量来源，将以往未加以利用的轨道车辆振动能量加以利用，具有显著的经济价值和社会价值。

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，便于安装和对现有减振系统进行改造；

4)当轨道车辆高速运行当中，正常电力供应出现故障时，本装置可以作为一种轨道车辆运行中的分散电源为铁路运行提供可靠的电力供应；

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新干线减振技术不同，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，而是以压电元件作为受有效负载调节的压电阻尼来实现半主动振动控制。

附图说明

图1是轨道车辆结构纵向剖面简图；

图2是轨道车辆两节车体连接简图；

图3是本发明系统结构图；

图4是实施例中压电装置的原理图。

图5是实施例中电力变换装置中功率模块的电路原理图；

图6是实施例中电力变换装置的控制原理图。

图7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1～6，依照本发明的技术方案，第一实施例的技术路线是：在车辆转架12与车体11、转架12与轮对13、车体11之间的横向和竖向弹簧阻尼系统中均安装压电装置，且均与弹簧串联。如图1、2所示，在位置1-10中均需要安装压电装置，安装的形式如图3所示。在图1所示位置中安装压电装置是为了回收轨道车辆横向和竖向的振动能量，在图2所示位置中安装压电装置是为了回收轨道车辆蛇形运动所造成的横向振动的能量。图4给出了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，而根据压电材料产生电压的公式：

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

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，并使压电元件保持适当的几何尺寸和受力状态，采用如图4所示的压电装置。该装置由外活塞44、内活塞42、液压缸43和压电堆41组成。外活塞44和液压缸43受到轨道车辆振动的直接作用，外活塞44相对液压缸43移动产生压强变化，通过油液压强传递给了内活塞42。由于外活塞44和内活塞存在一个面积比例，力被放大了一个比例系数。  内活塞42上放置着压电堆41，被放大的振动力传递给了压电堆41，在压电堆41上产生一个应变。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，采用多层压电薄片制成的积层式压电堆。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41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。对于轨道车辆所处的工况，采用上述压电装置，压电材料的能量密度较容易达到0.6kW/kg以上。

压电堆41也可以为单片式压电元件所代替；当压电元件产生的电压过高时，应先将所产生的电能经变压器处理降低电压，再与电力变换装置相连接。

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5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。整流器采用全桥方式整流，由4个二极管D₁、D₂、D₃和D₄构成。DC/DC变换器由电感L₁、滤波电容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。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6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。

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。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：

轨道车辆运行过程中，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，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的主要作用是缓和压电元件对电容C充电时的充电电流；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监测，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。本实施例是和上面实施例的区别在于，电力变换装置的功率模块采用图7所示的原理图，在压电装置中邻近压电堆41的液压缸缸体3上安装检测车身运动速度的压电传感器，同时采用了在发电同时实施半主动减振的控制策略。

图7给出了第二实施例中电力变换装置的电路原理图。它和图5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降低，减缓车身的向上运动；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，电容充电过程和蓄电池充电过程在时间上交替进行，电容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。

虽然已经参照实施例讨论了用于轨道车辆振动能量压电发电系统，但应理解，轨道车辆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，可作出各种改变和变形。

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，压电装置与轨道车辆减振系统的弹簧串联，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减振系统的其它位置，并以串联或并联方式与减振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 (9)

1.一种利用轨道车辆振动能量压电发电的方法，其特征在于，将压电装置置于轨道车辆减振系统中，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：

第一步，在轨道车辆减振系统中置入至少一个压电装置，用于接收轨道车辆悬架的振动能量，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；

第二步，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；

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，在利用轨道车辆振动能量发电的同时，对轨道车辆的振动进行半主动减振和降噪控制；

第三步，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。

2.如权利要求1所述的利用轨道车辆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所述的利用轨道车辆振动能量压电发电的方法，其特征在于，所述电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

步骤一，整流过程，将压电材料产生的交流电变为直流电；

步骤二，DC/DC变换过程，对步骤一产生的直流电进行电压和电流变换。

4.一种轨道车辆的振动能量压电发电系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个置于轨道车辆减振系统中的压电装置，该压电装置与轨道车辆减振系统的弹簧串联，用于将振动能量转换为电能；所述压电装置包括外活塞、内活塞、液压缸和压电元件；外活塞和液压缸直接受到轨道车辆振动的作用，产生相对运动，外活塞通过油液将压强传递给内活塞，内活塞和液压缸底之间放置着压电元件；

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开关器件进行控制，调节储能装置的充电电压和电流或调节最终用电负载的供电电压和电流，并为储能装置存储或最终用电负载使用；

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接。

5.如权利要求4中所述的轨道车辆振动能量压电发电系统，其特征在于：所述压电装置安装在车体与转向架、转向架与轮对之间的减振系统中，用以吸收横向和竖向振动能量，或安装在两节车体之间，用以吸收轨道车辆因蛇形运动产生的振动能量。

6.如权利要求4所述的轨道车辆振动能量压电发电系统，其特征在于，所述的压电元件为压电陶瓷或铁电性压电材料或复合压电材料。

7.如权利要求4所述的轨道车辆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4所述的轨道车辆振动能量压电发电系统，其特征在于，所述的压电元件由单片或多层压电薄片组成，包括积层式压电堆结构。

9.如权利要求4所述的轨道车辆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、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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