TW202124194A - 應用於車輛之振動能量擷取裝置及其設置方法 - Google Patents

Abstract

提供一種應用於車輛之振動能量擷取裝置，其包含：磁鐵、線圈、殼體、第一彈簧件、第二彈簧件以及儲電裝置；線圈係捲繞設置於磁鐵外側；殼體係設置以容置磁鐵以及線圈；第一彈簧件之一端連接車輛之車體，另一端連接磁鐵之上部；第二彈簧件之一端連接車輛之一車輪，另一端連接磁鐵之下部；儲電裝置電性連接線圈；其中在車輛行進而震動時，磁鐵在第一彈簧件以及第二彈簧件之間來回振動，並在線圈產生感應電流，以產生電能儲存於儲電裝置。

Description

應用於車輛之振動能量擷取裝置及其設置方法

本案揭示一種應用於車輛之振動能量擷取裝置及其設置方法，尤其是一種擷取振動能並儲存，增加車輛續航力之能量擷取裝置。

由於石油短缺、空汙及溫室效應之影響，世界各國已趨向停止內燃機式之車輛動力源之產業，改採純電動馬達式之電動車設計，故綠能之開發極為重要。目前能取代汽油者，除了燃料電池外，以太陽能與風力為主要綠能來源。然而，現今電動車之電力供應站未定，且電動車的電池續航力有限，故車輛自主性發電便顯得極為重要。

有鑑於上述習知技術的問題，本案除了簡化震動節能器之設計外，亦探討二維之車輛懸吊系統振動模式，此外，亦討論不同路面對發電之影響，本案可做為未來電動車綠能開發之重要設計參考，並能增加電動車之續航力。

根據本發明一實施例，提供一種應用於車輛之振動能量擷取裝置，其包含：磁鐵、線圈、殼體、第一彈簧件、第二彈簧件以及儲電裝置；線圈 係捲繞設置於磁鐵外側；殼體係設置以容置磁鐵以及線圈；第一彈簧件之一端連接車輛之車體，另一端連接磁鐵之上部；第二彈簧件之一端連接車輛之一車輪，另一端連接磁鐵之下部；儲電裝置電性連接線圈；其中在車輛行進而震動時，磁鐵在第一彈簧件以及第二彈簧件之間來回振動，並在線圈產生感應電流，以產生電能儲存於儲電裝置。

較佳地，可以將磁鐵及線圈設置以優化線圈中設置於位置z_k之第k個線圈之一感應電壓ε，且感應電壓ε係表示為：

B _r =μ₀I；

係磁鐵之移動速度，H_m係磁鐵之高度，D_m係磁鐵之直徑，D_c係線圈之直徑，N_c係線圈在高度方向上之圈數，N_L係線圈在徑向方向上之層數，I係感應電流之電流值。

較佳地，磁鐵、線圈、第一彈簧件以及第二彈簧件可以根據模擬退火法或遺傳演算法結合數學梯度法來設置，以優化車輛之乘坐舒適度。

較佳地，第一彈簧件以及第二彈簧件可以是彈簧與阻尼之組合，其中，該阻尼為線圈發電所產生磁阻之等效阻尼。

較佳地，振動能量擷取裝置可以設置於車輛之懸吊阻尼系統之設置處。

根據本發明另一實施例，提供一種應用於車輛之振動能量擷取裝置之設置方法，其包含：設置一磁鐵；於磁鐵外側捲繞設置一線圈；將磁鐵及線 圈設置於一殼體內；連接第一彈簧件於車輛之車體以及磁鐵之上部之間；連接第二彈簧件於車輛之一車輪以及磁鐵之下部之間；以及電性連接線圈至一儲電裝置；其中在車輛行進而震動時，磁鐵在第一彈簧件以及第二彈簧件之間來回振動，並在線圈產生感應電流，以產生電能儲存於儲電裝置。

較佳地，振動能量擷取裝置之設置方法可以進一步包含：根據模擬退火法或遺傳演算法結合數學梯度法來設置磁鐵、線圈、第一彈簧件及第二彈簧件及既有輪胎之等效彈簧、等效阻尼、懸吊系統之等效彈簧以及線圈之等效阻尼，以優化車輛之乘坐舒適度。

第一彈簧件以及第二彈簧件可以是彈簧與阻尼之組合，其中，該阻尼為線圈發電所產生磁阻之等效阻尼。

較佳地，振動能量擷取裝置之設置方法可以進一步包含：將振動能量擷取裝置設置於車輛之懸吊阻尼系統之設置處。

100、100r、100f‧‧‧振動能量擷取裝置

101‧‧‧磁鐵

102‧‧‧線圈

103‧‧‧殼體

104‧‧‧第一彈簧件

105‧‧‧第二彈簧件

106‧‧‧儲電裝置

801、802、803、804‧‧‧步驟

H_m‧‧‧磁鐵高度

R‧‧‧磁鐵半徑

D_m‧‧‧磁鐵直徑

第1圖係繪示根據本發明一實施例之應用於車輛之振動能量擷取裝置之設置示意圖。

第2圖係繪示振動能量擷取裝置之結構示意圖。

第3圖係繪示根據本發明一實施例在車輛的兩個輪胎處設置振動能量擷取裝置之動態系統分析示意圖。

第4(A)圖繪示根據本發明一實施例之振動能量擷取裝置之圓柱磁鐵之等效磁場之示意圖。

第4(B)圖繪示第4(A)圖中的圓柱磁鐵及捲繞設置於磁鐵外側的線圈的示意圖。

第5圖係繪示根據本發明一實施例之多頻率路面振動狀況示意圖。

第6圖係繪示根據本發明一實施例之摺曲路面振動狀況示意圖。

第7圖係繪示根據本發明一實施例之三種演化機制綜合應用示意圖。

第8圖係繪示根據本發明一實施例之設置振動能量擷取裝置之流程圖。

為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合所附圖式，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請專利範圍，合先敘明。

參照第1圖及第2圖，第1圖係繪示根據本發明一實施例之應用於車輛之振動能量擷取裝置之設置示意圖，第2圖係繪示振動能量擷取裝置之結構示意圖。

如第1圖所示，振動能量擷取裝置100可以設置於車輛車體及車輛的一輪胎之間，其可以進一步設置於該車輛的懸吊系統下方之阻尼裝置處以取代原阻尼裝置。但是本發明不限於此，根據本發明另一實施例，振動能量擷取裝置可以設置於車輛中任何在車輛行進中會震動的位置。根據本發明在一實施例，振動能量擷取裝置可以設置在車輛以外任何得以震動的工具、設備、機構上。

參照第2圖，振動能量擷取裝置100包含磁鐵101、線圈102、殼體103、第一彈簧件104、第二彈簧件105以及儲電裝置106；線圈102係捲繞設置於磁鐵101外側；殼體103係設置以容置磁鐵101以及線圈102；第一彈簧件104之一端連接車輛之車體，另一端連接磁鐵101之上部；第二彈簧件105之一端連接車輛之一車輪，另一端連接磁鐵101之下部；儲電裝置106電性連接線圈102；在車輛行進而震動時，磁鐵101在第一彈簧件104以及第二彈簧件105之間來回振動，並在線圈102產生感應電流，以產生電能儲存於儲電裝置106。

接下來請參照第3圖，其繪示根據本發明一實施例在車輛的兩個輪胎處設置振動能量擷取裝置之動態系統分析示意圖。在第3圖中，y_f為車體靠近前輪處之垂直位移，y_r為車體靠近後輪處之垂直位移，y_c為車輛質心處之垂直位移，M₁為車體質量，M₂為後輪質量，M₃為前輪質量，k₁₁為後輪上方之懸吊車體下方的彈簧彈性係數，k₂₁為前輪上方之懸吊車體下方的彈簧彈性係數，k₁₂為後輪與地面間的等效彈性係數，k₂₂為前輪與地面間的等效彈性係數，k₁₁₁為安裝在後輪懸吊阻尼系統處的振動能量擷取裝置100r的彈簧之彈性係數，k₂₁₁為安裝在前輪懸吊阻尼系統處的振動能量擷取裝置100f的彈簧之彈性係數，y₁為前輪地面之垂直位移，y₂為後輪地面之垂直位移，C₁₁₁為振動能量擷取裝置100r的繞線線圈感電時產生之等效阻尼，C₂₁₁為振動能量擷取裝置100f的繞線線圈感電時產生之等效阻尼，C₁₂為後輪與地面間的等效阻尼，C₂₂為前輪與地面間的等效阻尼，M_m1為振動能量擷取裝置100r的磁鐵質量，M_m2為振動能量擷取裝置100f的磁鐵質量，在此實施例中，設定路面是顛簸的，造成汽車輪胎底部的底板震動，假設路面凸塊半徑R，且路面之底部波動為下述之正弦函數樣式：

y(t)=Y _o ．sin(ωt) 其中，Y _o 是底板震動之最大振幅，ω是汽車輪胎的轉動頻率。

車輛震動的動態系統分析如下：

其中，y_m2為後輪質心之垂直位移，y_m3為前輪質心之垂直位移

y _r =y _c -l₂．θ (1d)

y _f =y _c +l₁．θ (1e)

設L=T-V (2)

根據Largrange方程式

將式(1a)~(2)代入式(3a)~(3d)，得出

整理式(4a)~(4d)，得出式(5)如下：

若車輛時速V(Km/h)，其車速v(m/s)是：

v=V．1000/3600 (6a)

R _wh ．ω=v (6b)

y ₁=R．sin(ω．t) (6d)

y ₂=R．sin(ω．t+Ø) (6e)

將式(6a)~(6f)代入式(5)，重寫式(5)，得到：

其中

F ₂₍₁₎=A ₀₂-A ₀₄ (7b)

F ₂₍₂₎=A ₀₁+A ₀₃ (7c)

A ₀₁=k ₁₂．R．sin(Ø) (7d)

A ₀₂=k ₁₂．R．cos(Ø) (7e)

A ₀₃=C ₁₂．R．ω．cos(Ø) (7f)

A ₀₄=C ₁₂．R．ω．sin(Ø) (7g)

F ₂₍₁₎=A ₀₂-A ₀₄ (7h)

F ₃₍₁₎=k ₂₂．R (7i)

F ₃₍₂₎=C ₁₂．R．ω (7j)

重新整理得到：

以疊加法(superposition)求取系統矩陣，重寫式(8)得到：

假設

y _cp(1)=Y _cp(1)(jω)e ^jωt (11a)

y _m2p(1)=Y _m2p(1)(jω)e ^jωt (11b)

y _m3p(1)=Y _m3p(1)(jω)e ^jωt (11c)

θ _p(1)=Θ _p(1)(jω)e ^jωt (11d)

將式(11a)~(11d)代入式(10a)，得到

其中

H _1,1=-M ₁．ω ²+k ₁₁+k ₂₁+j(C ₁₁₁+C ₂₁₁)．ω (12b)

H _1,2=-k ₁₁-j．C ₁₁₁．ω (12c)

H _1,3=-k ₂₁-j．C ₂₁₁．ω (12d)

H _1,4=-k ₁₁．l ₂+k ₂₁．l ₁+j(C ₂₁₁．l ₁-C ₁₁₁．l ₂)．ω (12e)

H _2,1=-k ₁₁-j．C ₁₁₁．ω (12f)

H _2,2=-M ₂．ω ²+k ₁₁+k ₁₂+j(C ₁₁₁+C ₁₂)．ω (12g)

H _2,3=0 (12h)

H _2,4=k ₁₁．l ₂+j．C ₁₁₁．l ₂．ω (12i)

H _3,1=-k ₂₁-j．C ₂₁₁．ω (12j)

H _3,2=0 (12k)

H _3,3=-M ₃．ω ²+k ₂₁+k ₂₂+j(C ₂₁₁+C ₂₂)．ω (12l)

H _3,4=-k ₂₁．l ₁-j．C ₂₁₁．l ₁．ω (12m)

H _4,1=-k ₁₁．l ₂+k ₂₁．l ₁+j(C ₂₁₁．l ₁-C ₁₁₁．l ₂)．ω (12n)

H _4,2=k ₁₁．l ₂+j．C ₁₁₁．l ₂．ω (12o)

H _4,3=-k ₂₁．l ₁-j．C ₂₁₁．l ₁．ω (12p)

由式(12a)得到：

假設

y _cp(2)=Y _cp(2)(jω)e ^jωt (14a)

y _m2p(2)=Y _m2p(2)(jω)e ^jωt (14b)

y _m3p(2)=Y _m3p(2)(jω)e ^jωt (14c)

θ _p(2)=Θ _p(2)(jω)e ^jωt (14d)

將式(14a)~(14d)代入式(10b)，得到：

由式(15)得出

重寫式(8)，並代入式(13)及式(16)，得到：

前輪線圈發電：

其中

C ₀₁=ω．(A ₀₂-A ₀₄)．ε _1,2+ω．B ₀₁．ε _1,3+l ₁．ω．[(A ₀₂-A ₀₄)．ε _4,2+B ₀₁．ε _4,3]-[(A ₀₁+A ₀₃)．ε _3,2+B ₀₁．ε _3,3] (18c)

C ₀₂=ω．(A ₀₁+A ₀₃)．ε _1,2+ω．B ₀₂．ε _1,3+l ₁．ω．[(A ₀₁+A ₀₃)．ε _4,2+B ₀₁．ε _4,3]+[(A ₀₂-A ₀₄)．ε _3,2+B ₀₁．ε _3,3] (18d)

後輪線圈發電：

其中

C ₀₃=ω．[(A ₀₁+A ₀₃)．ε _1,2+B ₀₁．ε _1,3]+l ₂．ω．[(A ₀₂-A ₀₄)．ε _4,2+B ₀₁．ε _4,3]-[(A ₀₁+A ₀₃)．ε _2,2+B ₀₁．ε _2,3] (19c)

C ₀₄=ω．[(A ₀₂-A ₀₄)．ε _2,2+B ₀₁．ε _2,3]-l ₂．ω．[(A ₀₁+A ₀₃)．ε _4,2+B ₀₁．ε _4,3]-[(A ₀₂-A ₀₄)．ε _1,2+B ₀₁．ε _1,3] (19d)

前輪相對速度為：

後輪相對速度為：

系統的等效阻尼為：

C ₁₁₁=C _m111+C _e111 (22a)

C ₂₁₁=C _m211+C _e211 (22b)

其中

其中，c_m111為後輪能量擷取發電裝置內之等效機械阻尼，c_m211為前輪能量擷取發電裝置內之等效機械阻尼，c_e111為後輪能量擷取發電裝置之感應繞線線圈的電感應阻尼(例如，來自磁鐵及線圈之間)，c_e211為前輪能量擷取發電裝置之感應繞線線圈的電感應阻尼(例如，來自磁鐵及線圈之間)，N_c1為後輪感應繞線線圈的匝數，N_c2為前輪感應繞線線圈的匝數，N_L1為後輪感應繞線線圈的長度，N_L2為前輪感應繞線線圈的長度，D_c為感應繞線線圈的 繞圈直徑，d_c為感應繞線的直徑，ρ_c為感應繞線線圈的電感係數，R₁為後輪儲電之電阻負載，R₂為前輪儲電之電阻負載。

磁場發電(renewable energy)：

接下來請參照第4(A)圖及第4(B)圖，第4(A)圖繪示根據本發明一實施例之振動能量擷取裝置之圓柱磁鐵之等效磁場之示意圖，第4(B)圖繪示第4(A)圖中的圓柱磁鐵及捲繞設置於磁鐵外側的線圈的示意圖。在第4(A)圖中，磁鐵高度為H_m，半徑為R，直徑為D_m，根據Biot-Savart定律：

第k點(

處)之相對磁場為

第k圈線圈由

處磁鐵磁場產生之感應電壓為

加總N_c圈線圈由

處磁鐵磁場產生之感應電壓為：

對前後輪的振動能量擷取裝置繞線匝數密度(n₁,n₂)為

對前後輪的振動能量擷取裝置分別具有N_L1與N_L2層線圈而言，其產生之感應電壓分別為

接下來，為了計算的方便，將磁鐵相對運動的座標z，改以x(t)表示，則前後輪的均方根感應電壓分別以下列的式(31a)及式(31b)來表示：

得出

再生電能(發電量)的傳遞率為

前輪車體加速度為

其中

C ₀₅=-ω ²[(A ₀₂-A ₀₄)．(ε _1,2+l ₁．ε _4,2)+B ₀₁．(ε _1,2+l ₁．ε _4,3)] (34b)

C ₀₆=-ω ²[(A ₀₁+A ₀₃)．(ε _1,2+l ₁．ε _4,2)+B ₀₂．(ε _1,3+l ₁．ε _4,3)] (34c)

其中

C ₀₇=-ω ²[(A ₀₂-A ₀₄)．(ε _1,2-l ₂．ε _4,2)+B ₀₁．(ε _1,2-l ₂．ε _4,3)] (35b)

C ₀₈=-ω ²[(A ₀₁+A ₀₃)．(ε _1,2-l ₂．ε _4,2)+B ₀₂．(ε _1,3-l ₂．ε _4,3)] (35c)

乘坐舒適度(Ride comfort performance)：

請參照第5圖，其繪示根據本發明一實施例之多頻率路面振動狀況示意圖。如第5圖所示，對寬頻底板振動源(車輛加速)而言，寬頻波段之再生電能傳遞率為

對寬頻底板振動源(車輛加速)而言，寬頻波段之位移振動傳遞之騎乘舒適度為

接下來請參照第6圖，其繪示根據本發明一實施例之摺曲路面振動狀況示意圖。將摺曲路面S(t)以Fourier series展開，表示如下：

其中

最後，摺曲路面S(t)以Fourier series表示為：

重新將式(6d)表示為：

同上述之解題法，以疊加法進行最終解，對於如第6圖所示的摺曲路面，可以得到寬頻波段之再生電能傳遞率：

同理，位移振動傳遞之騎乘舒適度為：

對路面為摺曲且為寬頻底板振動(車輛加速)而言，寬頻波段之再生電能傳遞率為：

多目標函數：

本案除了提供最大再生電能(發電量)傳遞率外，亦考量車上人員的乘坐舒適度(加速度基準)，兩者均作為目標函數之考量因子之一。多目標函數係以(1)發電量傳遞率最大化；以及(2)最佳乘坐舒適度為設計目標。

對單頻底板振動源而言，其多目標含數可列述如下：

OBJ ₁=GE * F _p1 (45a)

其中

F_p1為乘坐舒適度之懲罰係數(Penality factor)；

RCE_c為目標之臨界乘坐舒適度；

NN為懲罰級數。

對寬頻底板振動源而言，其多目標函數則可列述如下：

OBJ ₂=GE _RMS * F _p2 (46a)

其中

F_p2為乘坐舒適度之懲罰係數(Penality factor)；

RCE_C為目標之臨界乘坐舒適度。

模擬退火法：

模擬退火法係模仿金屬退火的物理過程中之最低能量趨勢而作成，數值分析之模擬退火法的邏輯如表1所示，以初始溫度(To)、冷卻率(kk)、最大曡代次數(itermax)為控制參數。

遺傳演算法：

遺傳演算法則以基因交配率(crossover)、突變率(mutation)、擇優(elitism)、最大演化代數(itermax)為控制參數，在本案中，遺傳演算法採用的演化機制有三，一為均勻基因交配，二為基因突變，三為競爭性基因擇優，相關三種演化機制綜合應用如第7圖所示。

接下來請參照第8圖，其繪示根據本發明一實施例之設置振動能量擷取裝置之流程圖。該方法包含：

步驟801：設置具有優化的感應電壓之振動能量擷取裝置。根據如前所示的式(30a)或式(30b)，設置具有較高感應電壓之振動能量擷取裝置中的磁鐵、線圈、第一彈簧件及第二彈簧件。

步驟802：以模擬退火法或遺傳演算法結合數學梯度法求解乘坐舒適指標。

步驟803：儲存並比較先前發電量及乘坐舒適指標。在此步驟，進一步將當前發電量及乘坐舒適指標與前一次所得的發電量及乘坐舒適指標進行比較，以發電量為目標函數OBJ₂，計算新的設計參數之乘坐舒適指標與發電量，依式(46a)與式(46b)之懲罰因子計算，若舒適度小於臨界RCE_C，則懲罰因子為1， 反之，則懲罰因子為1/NN，新目標函數OBJ₂為新發電量乘以懲罰因子，若新的設計參數之目標函數OBJ₂優於前一次設計參數之目標函數OBJ₂，則設計參數採用後者，反之則保留前者之設計參數，逐次演化若干代，直到達到最大演化代數(itermax)時，才結束測試(步驟804)。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

100‧‧‧振動能量擷取裝置

101‧‧‧磁鐵

102‧‧‧線圈

106‧‧‧儲電裝置

Claims (9)

1. 一種應用於車輛之振動能量擷取裝置，其包含：

   一磁鐵；

   一線圈，捲繞設置於該磁鐵外側；

   一殼體，容置該磁鐵以及該線圈；

   一第一彈簧件，其一端連接該車輛之車體，另一端連接該磁鐵之上部；

   一第二彈簧件，其一端連接該車輛之一車輪，另一端連接該磁鐵之下部；以及

   一儲電裝置，電性連接該線圈；

   其中在該車輛行進而震動時，該磁鐵在該第一彈簧件以及該第二彈簧件之間來回振動，並在該線圈產生一感應電流，以產生電能儲存於該儲電裝置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之振動能量擷取裝置，其中該磁鐵及該線圈係設置以優化該線圈中設置於位置z_k之第k個線圈之一感應電壓ε，且該感應電壓ε係表示為：

   

   其中，

   B _r =μ₀I；

   

   係該磁鐵之移動速度，H_m係該磁鐵之高度，D_m係該磁鐵之直徑，D_c係該線圈之直徑，N_c係該線圈在高度方向上之圈數，N_L係該 線圈在徑向方向上之層數，I係該感應電流之電流值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之振動能量擷取裝置，其中該磁鐵、該線圈、該第一彈簧件以及該第二彈簧件係根據模擬退火法或遺傳演算法結合數學梯度法來設置，以優化該車輛之乘坐舒適度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之振動能量擷取裝置，其中該第一彈簧件以及該第二彈簧件係彈簧和阻尼的組合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之振動能量擷取裝置，係設置於該車輛之懸吊系統下方之阻尼設置處。
6. 一種應用於車輛之振動能量擷取裝置之設置方法，其包含：

   設置一磁鐵；

   於該磁鐵外側捲繞設置一線圈；

   將該磁鐵及該線圈設置於一殼體內；

   連接一第一彈簧件於該車輛之車體以及該磁鐵之上部之間；

   連接一第二彈簧件於該車輛之一車輪以及該磁鐵之下部之間；以及電性連接該線圈至一儲電裝置；

   其中在該車輛行進而震動時，該磁鐵在該第一彈簧件以及該第二彈簧件之間來回振動，並在該線圈產生一感應電流，以產生電能儲存於該儲電裝置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之設置方法，其中該磁鐵及該線圈係設置以優化該線圈中設置於位置z_k之第k個線圈之一感應電壓ε，且該感應電壓ε係表示為：

   

   其中，

   B _r =μ₀I；

   

   係該磁鐵之移動速度，H_m係該磁鐵之高度，D_m係該磁鐵之直徑，D_c係該線圈之直徑，N_c係該線圈在高度方向上之圈數，N_L係該線圈在徑向方向上之層數，I係該感應電流之電流值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之設置方法，進一步包含：

   根據模擬退火法或遺傳演算法結合數學梯度法來設置該磁鐵、該線圈、該第一彈簧件以及該第二彈簧件，以優化該車輛之振動能量擷取裝置之發電量及該車輛之乘坐舒適度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之設置方法，進一步包含：

   將該振動能量擷取裝置設置於該車輛之任一有震動之處。

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