專利名稱：汽車振動能量壓電發電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及汽車車載發電的裝置，特別是一種汽車振動能量壓電發電裝置。
背景技術：
壓電電源的工作原理是基于正壓電效應，壓電材料是它們的核心工作物質。
20世紀60年代末，中國科學院上海硅酸鹽所和上海精密醫療器材廠合作研究壓電手提式X光機電源，成功地獲得Umax＝60kV，Imax＝3mA的直流高壓。
Charles G.Triplett申請的美國專利US.No.4504761，題目是“安裝在車輛上的壓電發生器”，公開了配置在車輛輪胎上的壓電發生器，該裝置利用車輪轉動期間施加到輪胎上的壓力產生電能。
金東局申請的中國發明專利CN 1202014A，題目是“具有連到振動源的壓電元件的壓電發生器及其制造方法”，公布了一種利用車輛發動機機械振動能產生電的壓電發生器。該發明包括壓電元件和存儲壓電元件產生的電能的電路。每個壓電元件具有壓電薄膜和壓電薄膜的支持部件。把剩余壓力施加到支持部件，以使壓電元件向上彎曲。設置DC/AC轉換器，把壓電元件產生的直流電轉換成交流電，設置變壓器和二極管，防止從蓄電池放電。
以上例子表明利用壓電材料的正壓電效應制作各種類型的電源是可行的，它特別適用于各種移動設備的電源。這種電源的內阻抗是容性的，通過壓電效應的轉換，即使在靜態和準靜態條件下工作，也能轉換K2.W機的電能(K是機電耦合系數，K2是衡量機電能量轉換的能力)。目前有多種K≥0.7的壓電材料已經研制成功并完成產業化，選擇其中壓電系數d33、g33高，機械強度高，反復加壓后性能穩定，介電常數較大的材料，可作為較理想的發電工作物質。
汽車的傳統懸掛系統為被動式懸掛系統，都采用了彈簧和減振器兩種基本元件。為了追求良好的乘坐舒適性和良好的操縱穩定性再使用定剛度彈簧和定阻尼減振器的傳統懸架已不能滿足，多種采用電子技術的汽車懸架系統被發展出來。其中的主動懸架技術由于采用了氣壓或油壓控制車身與車橋之間的作用力，因而性能優越，但是需要較大能耗。之后提出的半主動懸架技術，用可調彈簧或可調減振器組成懸架，并根據簧載質量的速度響應等反饋信號，按照一定的控制規律，調節可調彈簧的剛度或可調減振器的阻尼力。與主動懸架相比，半主動懸架控制系統消耗的能量很小，造價較低，在商業上得到了廣泛地應用。半主動懸架技術主要采用液壓或者是電磁方式實現。
日本豐田汽車公司發展了一種供轎車使用的壓電式電子控制懸掛系統(TEMS)，這是一種可以改變液壓阻尼力的半主動式懸掛系統。在該系統的減振器中，安裝了以壓電陶瓷為材料的路面傳感器和壓電作動器。該系統中的壓電路面傳感器將路面不平所引起的振動信號轉化為電信號送往微處理器，微處理器對該信號進行處理，根據控制策略控制開關電源驅動壓電作動器產生伸縮變形，壓電作動器進一步驅動減振器開關閥的閥芯產生位移，改變減振器的阻尼力，從而實現懸架系統的半主動減振控制。
由于壓電材料即是介電體，又是彈性體，具有正、逆壓電效應和一般彈性體性質，因而同時有電學和力學性質，其電行為與機械行為是相互耦合的。利用壓電材料的這種機電耦合特性，將壓電元件與包括電阻元件、電容元件、電感元件和開關器件等在內的電器元件組成的電路并聯，可以組成完整的壓電阻尼系統。通過選定和壓電元件并聯的不同電路形式，不同電器元件的組合形式和參數大小，可以設計出不同的可控壓電阻尼形式，對結構系統的振動進行被動、半主動和主動-被動雜交的抑制和控制。
如將壓電元件和電阻并聯形成的壓電阻尼系統，對結構的減振是通過焦耳熱耗散能量來實現，被稱為壓電黏性阻尼技術。
又如將壓電元件和電容并聯形成的壓電阻尼系統，可以改變壓電元件的有效剛度，利用這種原理，可以研制具有機械動力吸振器性質的壓電阻尼減振系統。
又如將壓電元件和開關元件并聯形成的轉換型半主動壓電阻尼系統，通過開關元件斷開和閉合的轉換，可以實現等效剛度的較大改變，從而控制振動能量在結構系統中的流向。
壓電阻尼減振技術已在若干的體育運動用品中得到應用。例如，美國K2公司的設計者將壓電材料嵌入進雪橇中，當雪橇因振動發生變形時，壓電材料也隨之發生變形，將振動能轉化為電能；并使用電阻和壓電材料并聯形成壓電阻尼系統，將這些能量以焦耳熱的形式耗散。
發明內容
本實用新型的目的在于，提出一種汽車振動能量壓電發電裝置，將壓電裝置置于汽車懸掛系統中，利用振動能量產生電能，并作為一種電力供應加以存儲和利用。本實用新型提出的汽車振動能量壓電發電裝置是一種收集耗散能量的新型發電裝置，為汽車提供了新的能量來源。這對電動汽車和混合動力汽車而言尤為重要，可以有效提高續駛里程，具有顯著的經濟價值和社會價值。
另外，本實用新型在利用振動能量壓電發電的過程中，采用適當的控制方法，可以使本裝置起到半主動減振的作用。
為實現上述目的，本實用新型采用如下技術措施汽車振動能量壓電發電裝置，其特征在于，該裝置包括至少一個置于汽車懸掛系統中的壓電裝置，該壓電裝置與汽車懸掛系統的彈簧串聯，用于將振動能量轉換為電能；一個電力變換裝置，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用于調整和轉換壓電裝置產生的電能，并將電能用于儲能裝置或最終用電負載；控制模塊通過對功率模塊的功率元件進行控制，使振動能量轉化成電能，并為儲能裝置存儲或最終用電負載利用；一個儲能裝置或最終用電負載，用于存儲和利用電力變換裝置調整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置分別與儲能裝置或最終用電負載相連。
本實用新型的其它特點是，所述壓電裝置包括下活塞桿、上活塞、液壓缸和壓電元件；下活塞桿的一端和上活塞置于液壓缸中，其間充滿液體；下活塞桿和懸掛系統的減振彈簧相連，減振彈簧把由車底質量振動形成的力傳遞給下活塞桿，通過液體壓強傳遞給上活塞，上活塞上和車體間放置著壓電元件；所述的壓電元件采用多層壓電薄片并聯起來的壓電堆。
所述的壓電元件為壓電陶瓷或鐵電性壓電材料或壓電復合材料。
所述電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器，全橋整流裝置和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產生的交流電轉換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調整全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開關器件在DC/DC變換器中，用來執行控制信號傳達的指令。
所述電力變換裝置的控制模塊包括傳感器、濾波電路、控制器和光電隔離電路；傳感器置于壓電裝置、電力變換裝置的功率模塊上，用于獲得微處理器所需的信號；控制器通過濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號，并輸出控制信號；控制信號經光電隔離電路，送至功率模塊的功率開關器件的控制端。
本實用新型與現有技術相比，具有如下優點1)為車輛提供了新的能量來源，將以往未加以利用的車輛振動能量加以利用，尤其對于電動汽車和混合動力汽車增加續駛里程具有顯著意義；2)由于壓電發電是一種介質發電方式，與采用普通發電機方式發電相比，具有結構簡單，響應快，特別適合交變動力驅動方式。
3)由于壓電材料具有很高的能量密度，因此壓電裝置體積小、重量輕，便于安裝和對現有懸掛系統進行改造；4)本裝置應用廣泛，可用于汽車，電動汽車，混合動力汽車及多種特種車輛和軍用車輛。
5)在利用振動能量壓電發電的過程中，采用適當的控制方法，可以使本裝置在發電同時起到半主動減振的作用。和在技術背景中介紹的壓電式TEMS系統不同，本實用新型不是通過改變減振器的液壓阻尼力來實現振動控制，而是通過改變壓電元件的有效負載，調節其壓電阻尼來實現半主動振動控制。
圖1是本實用新型的裝置結構示意圖；圖2是第一實施例中壓電裝置的原理圖；圖3是第一實施例中電力變換裝置中功率模塊的電路原理圖；圖4是第一實施例中電力變換裝置的控制原理圖。
圖5是第二實施例中電力變換裝置中功率模塊的電路原理以下結合附圖和發明人給出的實施例，對本實用新型作進一步的詳細描述。
具體實施方式
參見圖1～4，依照本實用新型的技術方案，第一實施例的技術路線是在車輛懸掛系統的彈簧和車體之間插入至少一個壓電裝置，該裝置與彈簧串聯；圖2給出了第一實施例中壓電裝置的結構。根據壓應力作用下的壓電材料產生的電壓和一次儲能公式U＝Q/C(1)W=12QU]]>(2)可以看到一次受壓儲能的能力是跟壓電材料受壓后的電壓的平方成正比的。壓電材料產生電壓的公式為U=g33tlWF]]>(3)其中g33是壓電縱向電壓常數，l，W和t分別是壓電材料的長、寬和厚度。從公式(3)可知，壓電材料受應力產生的電壓與其所受的力F成正比。為了提高壓電轉換能力，采用如圖2所示的壓電裝置來提高壓電材料所受的壓應力。
該壓電裝置由下活塞桿4、上活塞2、液壓缸缸體3和壓電堆1組成。下活塞桿4的一端和上活塞2置于液壓缸缸體3中，其間充滿液壓油。液壓缸缸體3和壓電堆1分別與車身固定連接。液壓缸彈簧5把由簧下質量振動形成的力傳遞給下活塞桿4。下活塞桿4在液壓缸缸體3中移動產生壓強變化，通過油液將壓強變化傳遞給了上活塞2，上活塞2直接擠壓壓電堆1，在壓電堆1上產生一個新的應變。由于下活塞的有效面積遠小于上活塞的有效面積，壓電堆所受壓應力的變化相對于活塞桿的應力變化被按一定比例放大。根據正壓電效應原理，壓電材料表面會產生電荷，從而形成公式(1)中的電勢。由公式(3)，這個電壓與壓電材料的厚度t成正比。為了降低該電壓，采用多層壓電薄片并聯起來制成的壓電堆。這種設計可以保證既可以提供足夠體積的工作物質，又能使壓電材料產生的電壓不至于過高，便于電力變換裝置對電能進行轉換和回收。壓電堆采用壓電陶瓷材料PZT，根據所選材料型號的不同，其機電耦合系數K33為0.7～0.92，具有較高的機電轉換效率。
電力變換裝置對電能的調整和變換包括以下步驟整流過程，將壓電材料產生的交流電變為直流電；DC/DC變換過程，對整流過程產生的直流電進行電壓和電流變換。
變壓過程，當壓電材料產生的電壓過高時，在整流過程前先進行降壓處理，將電壓降低到整流元件所能耐受的電壓范圍。
電力變換裝置包括功率模塊和控制模塊。
圖3給出了第一實施例中電力變換裝置的功率模塊的電路原理圖。該電路由整流器和DC/DC變換器兩大部分組成。整流器的輸入端和壓電元件的電能輸出端子相連。整流器采用全橋整流電路，由4個二極管D1、D2、D3和D4構成。整流器的輸入端和壓電元件的電能輸出端子相連。DC/DC變換器的輸入端和全橋整流裝置輸出端連接。DC/DC變換器由電感L1、電容C、功率開關器件K1和續流二極管D5組成，實現按斬波方式工作的降壓電路。DC/DC變換器的輸入端和全橋整流裝置輸出端連接。功率開關器件K1采用IGBT IPM智能功率模塊，模塊內含有IGBT必需的驅動和保護電路。
圖4給出了第一實施例中電力變換裝置的控制原理圖，控制模塊由電流傳感器、電壓傳感器、濾波電路、微處理器和光電隔離電路組成。微處理器采用TI公司DSP芯片TMS320LF2407。電壓傳感器采用電流型電壓傳感器，電流傳感器采用電流型電流傳感器。電流電壓傳感器用來采集DC/DC變換器輸出端的電壓和電流信號，經濾波電路處理，送至DSP的A/D端口進行數據采集，采集結果經DSP處理后，以PWM的形式輸出控制信號。PWM信號經由光電隔離電路，送至智能功率模塊IPM的控制端，對功率管K1的開關狀態進行控制。信號采集和控制頻率為1～2kHz；PWM調制頻率范圍為10kHz～20kHz。濾波器采用典型的由運算放大器搭建的濾波電路，光電隔離電路由光電耦合器實現。控制模塊所需的各種電平由車載蓄電池經普通DC/DC開關電源提供。
在第一實施例中，電力變換裝置向儲能裝置充電，儲能裝置為鉛酸蓄電池。
本實用新型的具體工作原理是汽車運行過程中，由于振動的作用，壓電裝置不斷受到變化的應力作用。經壓電裝置中液壓缸的放大作用，數噸的應力被加載在壓電裝置中的壓電元件上，在壓電元件的兩極產生了電荷和電壓，根據設計，開路最高電壓被限定在500V以下。當電壓的絕對值高于整流器右側的電容器C電壓時，壓電元件向電容C充電；否則，壓電元件為開路。在電力變換裝置中，控制模塊通過對傳感器信號的采樣值，進行對PWM信號占空比的調節。當占空比增大，功率管導通時間增長，即充電時間增長，電容C的端點壓下降，壓電元件向電容C充電的導通電壓降低；當占空比減小，功率管導通時間減少，即充電時間減少，電容C的端點壓上升，壓電元件向電容C充電的導通電壓升高。通過PI控制算法，可以讓電池兩端的充電電壓維持在某一設定值，而該設定值可以通過試驗或自適應算法加以設定。設定該值的原則是使更多的振動能量轉化為電能。電感L1和D5可以在功率管K1斷開時和蓄電池構成續流回路，繼續向電池充電。通過傳感器對蓄電池充電電壓和充電電流進行的檢測，當蓄電池已充滿時，控制器停止對蓄電池進行充電。
下面給出第二實施例，用以說明本裝置在實現振動能量發電的同時，還對車體的振動進行半主動控制。第二實施例是和第一實施例的區別在于，電力變換裝置的功率模塊采用圖5所示的原理圖，而在壓電裝置中鄰近壓電堆1的液壓缸缸體3上安裝檢測車身運動速度的壓電傳感器，同時采用壓電發電和半主動減振并行的控制策略。
圖5給出了第二實施例中電力變換裝置的電路原理圖。它和圖3的區別在于增加了一個受DSP芯片控制的IGBT IPM智能功率模塊K2，它被置于全橋整流電路的正輸出端和電容C的正極之間。
下面分析電路的工作原理。電路的控制系統根據速度傳感器信號判斷車身的運動速度。當速度為向上時，控制器給出控制信號，使功率器件K1斷開，K2導通，并且當壓電元件產生的電壓絕對值也高于電容C兩端的電壓時，整流器導通，壓電元件的等效剛度減少，減緩車身的向上運動，壓電元件向電容C充電；當速度為向下時，控制器給出控制信號，使功率器件K2斷開，壓電元件的等效剛度增大，抑制車身的向下運動，壓電元件的變形能由機械剛度和壓電電容存儲，同時K1由PWM波控制，按一定的占空比，電容C對蓄電池進行充電。通過對K1占空比的調節，可使蓄電池獲得合理的充電電壓和充電時間。從上面論述可以看出，電容C充電過程和蓄電池充電過程在時間上交替進行，電容C充電過程對應于車體向上運動過程，蓄電池充電過程對應于車體向下運動過程。同時，由于壓電元件產生的電壓遠高于蓄電池的電壓，所以整個系統的死區很小，保證裝置具有較高的發電和減振效率。
雖然已經參照以上兩個實施例討論了用于汽車振動能量壓電發電裝置，但應理解，汽車振動能量壓電發電裝置的構造細節和各部件與元件的配置不限于實施例中所述情形，因而在不背離本實用新型的技術原理的原則下，可做出各種改變和變形。
如壓電元件可以采用壓電陶瓷或鐵電性壓電材料或壓電復合材料。
如壓電裝置可以使用已公開的各種機構，包括機械式、液壓式、氣動式、微機電式機構以及它們的各種組合，提高其中作為核心工作物質的壓電元件將振動能量轉換為電能的能力。
如電力變換裝置的功率模塊包括整流裝置，DC/DC變換器和相關接口電路和必要的變壓裝置。
如電力變換裝置的功率器件采用各種廣泛使用的器件，包括但不限于功率晶體管GTR、金屬-氧化物-半導體型場效應晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT和門極關斷晶閘管GTO。
如控制器采用模擬控制器、數字控制器和模擬數字混合控制器，模擬控制器包括分立元件構成的模擬控制器或可編程模擬器件構成的控制器，數字控制器包括微處理器、單片機、DSP、CPLD和FPGA其中的一種；如傳感器采用電壓傳感器或電流傳感器或機械傳感器。
如儲能裝置為各種蓄電池、超級電容和飛輪。
如最終用電負載為電阻性負載或電感性負載或電容性負載或它們的組合。
雖然已經展示并描述了本實施例的壓電式振動能量變換裝置，其中，壓電裝置與汽車懸掛系統的彈簧串聯，用于將振動能量轉換為電能，但應理解，利用壓電效應來實現能量的回收，壓電裝置的安裝可不限于與彈簧串聯。壓電裝置也可安裝于懸掛系統的其它位置，并以串聯或并聯方式與懸掛系統或其部件進行連接。
雖然以上文已參照特定的實施例和本實用新型的例子描述了本實用新型，但本實用新型不限于以上描述的實施例。按照本實用新型的技術原理，本領域普通技術人員按照上述技術原理對上述實施例進行修改和變形均屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種汽車的振動能量壓電發電裝置，其特征在于，該裝置包括至少一個置于汽車懸掛系統中的壓電裝置，該壓電裝置與汽車懸掛系統的彈簧串聯，用于將振動能量轉換為電能；一個電力變換裝置，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用于調整和轉換壓電裝置產生的電能，并將電能用于儲能裝置或最終用電負載；控制模塊通過對功率模塊的功率元件進行控制，使振動能量轉化成電能，并為儲能裝置存儲或最終用電負載利用；至少一個儲能裝置或最終用電負載，用于存儲和利用電力變換裝置調整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置分別與儲能裝置或最終用電負載相連。
2.如權利要求1所述的汽車振動能量壓電發電裝置，其特征在于所述壓電裝置包括下活塞桿、上活塞、液壓缸和壓電元件；下活塞桿的一端和上活塞置于液壓缸中并在其間充滿液體；下活塞桿和懸掛系統的減振彈簧相連，減振彈簧把由車底質量振動形成的力傳遞給下活塞桿，通過液體壓強傳遞給上活塞，上活塞上和車體間放置著壓電元件。
3.如權利要求2所述的汽車振動能量壓電發電裝置，其特征在于所述的壓電元件采用多層壓電薄片并聯起來的壓電堆。
4.如權利要求2或3所述的汽車振動能量壓電發電裝置，，其特征在于所述壓電裝置中的壓電元件為壓電陶瓷或鐵電性壓電材料或壓電復合材料。
5.如權利要求1所述的汽車振動能量壓電發電裝置，其特征在于，所述電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器，全橋整流裝置和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產生的交流電轉換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調整脈全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開關器件在DC/DC變換器中，用來執行控制信號傳達的指令。
6.如權利要求1所述的汽車振動能量壓電發電裝置，其特征在于，所述電力變換裝置的控制模塊包括傳感器、濾波電路、控制器和光電隔離電路；傳感器置于壓電裝置和電力變換裝置的功率模塊上，用于獲得控制器所需的信號；控制器通過濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號，并輸出控制信號；控制信號經光電隔離電路，送至功率模塊的功率開關器件的控制端。
專利摘要本實用新型公開了一種利用汽車振動能量壓電發電裝置，將壓電裝置置于汽車懸掛系統中，利用振動能量產生電能，并加以存儲和利用。該裝置包括至少一個置于汽車懸掛系統中的壓電裝置，用于將振動能量轉換為電能；一個電力變換裝置，用于調整和轉換壓電裝置產生的電能，并將電能用于儲能裝置或最終用電負載；至少一個儲能裝置或最終用電負載；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置又分別與儲能裝置或最終用電負載相連。本實用新型為車輛提供了新的能量來源，尤其對于電動汽車和混合動力汽車，所獲得的電能可直接供動力電源使用，從而有效增加車輛的續駛里程。采用適當的控制策略，本實用新型還具有半主動減振的作用。
文檔編號B60K25/10GK2745781SQ20042008615
公開日2005年12月14日 申請日期2004年11月8日 優先權日2004年11月8日
發明者曹秉剛, 左賀, 康龍云, 林家讓 申請人:西安交通大學