CN2896674Y

CN2896674Y - 汽车振动能量电磁发电装置

Info

Publication number: CN2896674Y
Application number: CNU2006200818181U
Authority: CN
Inventors: 张铁柱; 张洪信; 张翼
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2016-03-16

Abstract

本实用新型涉及一种汽车振动能量电磁发电装置，包括壳体、磁体、线圈、铁芯、芯轴、车体、悬挂系统、车桥和振动弹簧等，壳体内腔中围绕芯轴对称性由内向外分别有磁体、线圈和铁芯，磁体固定于芯轴四周并随芯轴移动于线圈之中，按电磁感应发电机理构成发电单元，发电单元与汽车原有的悬挂系统并联制于车体和车桥之间，汽车弹簧上下振动带动发电单元芯轴移动使线圈形成相对运动切割磁力线而产生感应电能；发电单元与电力变换单元电连通，实现感应电能的转换形成常规电量；电力变换单元采用常规的整流、滤波、控制器及光电隔离电路。本实用新型原理可靠，结构简单，制作加工技术成熟，具有节能功效，并可实现汽车自身变电自控功能。

Description

汽车振动能量电磁发电装置

技术领域：

本实用新型涉及一种汽车车载发电的装置系统，特别是一种汽车振动能量电磁发电装置。

背景技术：

汽车电子与电气装置在整车成本中的比重日益增大，有的车辆已达到30％以上，甚至50％，预计将来会到60％～70％。车上电控装置的CPU多达几十个。目前来看，这些装置所需电能都由发动机输出的机械能转换而来。通常是发动机曲轴通过皮带传动驱动电磁发电机发电，通过整流和稳压输出，一方面给蓄电池充电，另一方面给汽车上的所有用电负载供电。这样降低了发动机到传动系统的能量。

目前实用的发电方法是金属线圈切割磁力线产生感应电动势和电流，从而输出电能的电磁发电方法。磁场由永磁铁产生或线圈励磁产生，前者结构简单，磁场强度固定且大小受限；后者结构复杂但磁场强度可控。线圈和铁芯共用，铁芯提高了导磁率和电磁转换效率。

还有一种基于正压电效应的压电发电方法，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。目前基于压电发电的报道较多，主要如下。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。曹秉刚申请的中国发明专利CN1603155A，题目是“汽车振动能量压电发电方法及其系统”，公布了一种利用车辆悬挂系统机械振动能产生电的压电发生器。

发明内容：

本实用新型的发明目的在于，设计一种汽车振动能量电磁发电的装置系统，将电磁发电装置(发电单元)与汽车悬挂系统并联，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。本实用新型提出的汽车振动能量电磁发电的装置系统是一种收集耗散能量的新型发电技术装置，为汽车提供了新的能量来源，具有显著的经济价值和社会价值。

为了实现上述目的，本实用新型将至少一个电磁发电装置与汽车悬挂系统并联，将汽车的振动能量转化成电能；再将产生的电能由电力变换单元进行调整和变换后由储能装置或用电负载接收，并对电能进行存储或利用。

本实用新型所述的电力变换单元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；电力变换单元调整和变换后的电能由储能装置接收时，电力变换单元对储能装置的充电电压和电流进行控制；电力变换单元调整和变换后的电能由最终用电负载接收时，电力变换单元对最终用电负载的供电电压和电流进行控制。

本实用新型所述的电力变换单元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，对上面产生的直流电进行电压和电流变换。汽车振动能量电磁发电装置系统包括：

至少一个与汽车悬挂系统并联的电磁发电装置，用于将振动能量转换为电能；一个电力变换单元，由功率模块和控制模块组成，功率模块用于调整和转换电磁装置产生的电能，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单元调整后的电能。

本实用新型涉及的装置系统包括壳体、磁体(永磁铁或励磁线圈)、线圈、铁芯、芯轴、车体、悬挂系统、车桥和振动弹簧等，壳体内腔中围绕芯轴对称性由内向外分别制有磁体、线圈和铁芯，磁体固定于芯轴四周并随芯轴移动于线圈之中，按电磁感应发电机理构成发电单元，发电单元与汽车原有的悬挂系统并联制于车体和车桥之间，当车桥随汽车弹簧上下振动时，带动发电单元的芯轴移动使线圈形成相对运动切割磁力线而产生感应电能；发电单元与电力变换单元电连通，实现感应电能的转换，形成可供采用的常规电量；电力变换单元采用常规的整流、滤波、控制器及光电隔离电路。

电力变换单元的功率模块包括全桥整流和DC/DC变换器，全桥整流和发电单元的电能输出端相连，便于将电磁感应产生的交流电转换成直流电；DC/DC变换器和全桥整流连接，用于调整全桥整流输出的电压和电流；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。

电力变换单元的控制模块包括传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路，均采用常规的技术原理和工艺电学连通构成，通过中介元件传感器和光电隔离电路传递电信号并实现控制功效。

本实用新型的应用时可以为机动车辆提供新的电能量来源，将以往未加以利用的车辆振动能量采集并加以利用，可以达到节能效果。

附图说明：

图1是本实用新型的装置系统结构原理示意图。

图2是本实用新型的电力变换单元之功率模块的电路原理示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例，对本实用新型作进一步的详细描述。

本实用新型的技术方案的技术路线是：在车辆悬挂系统7的车体6和车桥8之间并联至少一个电磁发电装置。

本实用新型涉及的电磁发电装置由壳体1、磁体2、铁芯3、线圈4、芯轴5、车体6、悬挂系统7、车桥8和弹簧9组成，芯轴5与磁体2结构对应固连后安装在车桥8上侧，并随车桥8上下振动，芯轴5可以制成圆柱形或平板形，如为圆柱形则磁体2为圆环体套在它的外面，如为平板形则磁体2为片状贴在它的外面。铁芯3外缠绕金属线圈4并一同固定在壳体1上，壳体1顶端与车体6固连，壳体1和芯轴5随车体6与车桥8作相对运动时，线圈切割磁体2产生的磁力线，产生感应电动势和电流，对外输出电能。

电力变换单元对电能的调整和变换包括以下步骤：整流过程是将发电单元产生的交流电变为直流电；DC/DC变换过程是对整流过程产生的直流电进行电压和电流变换；变压过程是当发电单元产生的电压过高时，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。

电力变换单元包括功率模块和控制模块。电力变换单元的功率模块的电路原理图采用常规的技术和元器件组合成电连通电路。该电路由整流和DC/DC变换两大部分组成，整流器的输入端和发电单元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，整流器的输入端和发电单元的电能输出端子电相连。DC/DC变换器的输入端和全桥整流的输出端连接。DC/DC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。

电力变换单元的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按常规技术原理和工艺加工制成，属本实用新型的外围电路。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。

本实用新型的电力变换单元向储能装置充电，储能装置为铅酸蓄电池V_D。

具体工作原理是：汽车运行过程中，发电单元输出端产生感应电压。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V_S向电容C充电；否则，压电元件V_S为开路。在电力变换单元中，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V_S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V_S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V_D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V_D构成续流回路，继续向电池充电。通过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。

Claims

1、一种汽车振动能量电磁发电装置，包括壳体、磁体、线圈、铁芯、芯轴与车体、悬挂系统、车桥、弹簧，其特征在于壳体内腔中围绕芯轴对称性由内向外分别制有磁体、线圈和铁芯，磁体固定于芯轴四周并随芯轴移动于线圈之中构成发电单元，发电单元与汽车原有的悬挂系统并联制于车体和车桥之间，发电单元的芯轴移动使线圈形成相对运动切割磁力线而产生感应电能；发电单元与电力变换单元电连通。

2、根据权利要求1所述的汽车振动能量电磁发电装置，其特征在于芯轴与磁体结构对应固连后安装在车桥上侧；铁芯外缠绕金属线圈并一同固定在壳体上，壳体顶端与车体固连。

3、根据权利要求1所述的汽车振动能量电磁发电装置，其特征在于芯轴外套制圆环形磁体，或芯轴外侧贴制片状磁体。