基于汽車振動的能量收集系統和具有其的汽車的制作方法

本實用新型涉及汽車技術領域，特別涉及一種基于汽車振動的能量收集系統和具有其的汽車。

背景技術：

汽車中存在很多傳感器類型的低耗電設備，傳統的處理方法是通過蓄電池引出供電線路進行供電，但這存在很多弊端：當傳感器眾多時，一方面增加了線束布置的復雜程度，降低了系統可靠性；另一方面使得傳感器的大量自由布置出現困難。

在車聯網的大趨勢下，汽車的GPS(Global Positioning System，全球定位系統)傳感器、車內車外溫度傳感器、路況傳感器、胎壓傳感器、防盜傳感器、紅外信號接收傳感器等各類感知傳感器需要長時間啟動，由于傳感器耗電量極低，因此可以采用電池供電。但由于汽車中的傳感器數量眾多，一方面更換電池極其復雜，另一方面存在傳感器在關鍵時刻電量耗盡而失效的危險。

因此，如何對汽車中的傳感器供電成為目前亟待解決的問題。

技術實現要素：

本實用新型旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本實用新型的第一個目的在于提出一種基于汽車振動的能量收集系統，該系統將汽車機械振動產生的能量轉換為電能給傳感器和無線信號發生器供電，使得傳感器通過無線方式進行數據傳輸，徹底擺脫了復雜的線束布置，極大地提高了傳感器布置的自由度和便利性。

本實用新型的第二個目的在于提出一種汽車。

為實現上述目的，本實用新型一方面提出的一種基于汽車振動的能量收集系統，包括：本體；設置在所述本體之中的能量收集裝置，所述能量收集裝置用以收集汽車振動產生的能量；設置在所述本體之中的無線信號發生器；設置在所述本體之上的接口裝置，所述接口裝置用以連接外部傳感器；設置在所述本體之中的低功耗轉換電路，所述低功耗轉換電路分別與所述能量收集裝置、所述接口裝置和所述無線信號發生器相連，所述低功耗轉換電路將所述能量收集裝置收集到的能量轉換為電能以分別供給所述無線信號發生器和所述外部傳感器，所述無線信號發生器還與所述接口裝置相連以將所述外部傳感器采集的數據 信息無線傳輸給所述汽車的信息處理裝置。

本實用新型的基于汽車振動的能量收集系統，通過能量收集裝置收集汽車振動產生的能量，并通過低功耗轉換電路將能量收集裝置收集到的能量轉換為電能以分別供給無線信號發生器和外部傳感器，并且，無線信號發生器將外部傳感器采集的數據信息無線傳輸給汽車的信息處理裝置。該系統將汽車機械振動產生的能量轉換為電能給傳感器和無線信號發生器供電，使得傳感器無需連接蓄電池供電系統，并且傳感器通過無線方式進行數據傳輸，徹底擺脫了復雜的線束布置，極大地提高了傳感器布置的自由度和便利性，客觀上為汽車智能化提供條件。

具體地，所述能量收集裝置包括多組懸臂梁，所述多組懸臂梁中的每組懸臂梁包括上下對應設置的第一彈性基片和第二彈性基片，所述第一彈性基片和第二彈性基片的上下兩側設置對稱的壓電陶瓷晶片，所述第一彈性基片與所述第二彈性基片的末端懸空且相對側設置極性相反的磁鐵。

進一步地，所述每組懸臂梁的首端通過固定件與所述汽車的振動源剛性連接。

進一步地，所述多組懸臂梁為三組，且每組懸臂梁的長度不同。

進一步地，所述每組懸臂梁中的壓電陶瓷晶片并聯連接后與所述低功耗轉換電路相連。

具體地，所述的基于汽車振動的能量收集系統，還包括設置在所述本體之中的能量存儲裝置，所述能量存儲裝置分別與所述低功耗轉換電路、所述接口裝置和所述無線信號發生器相連，所述能量存儲裝置用于儲存電能以在所述汽車處于靜止狀態時分別給所述無線信號發生器和所述外部傳感器供電。

進一步地，所述能量存儲裝置由鋰電池或儲能電容器構成。

具體地，所述本體內封裝成真空環境。

具體地，所述本體上還設置多個安裝孔以將所述能量收集系統安裝在所述汽車上。

為實現上述目的，本實用新型還提出了一種汽車，其包括上述的基于汽車振動的能量收集系統。

本實用新型的汽車，通過上述的能量收集系統，能夠將汽車機械振動產生的能量轉換為電能給傳感器和無線信號發生器供電，使得傳感器無需連接蓄電池供電系統，并且傳感器通過無線方式進行數據傳輸，徹底擺脫了復雜的線束布置，極大地提高了傳感器布置的自由度和便利性，客觀上為汽車智能化提供條件。

附圖說明

圖1是根據本實用新型一個實施例的基于汽車振動的能量收集系統的結構框圖；

圖2是根據本實用新型一個實施例的基于汽車振動的能量收集系統的內部結構示意圖；

圖3是根據本實用新型一個實施例的能量收集裝置的結構示意圖；

圖4是根據本實用新型另一個實施例的基于汽車振動的能量收集系統的結構框圖；

圖5是根據本實用新型一個實施例的基于汽車振動的能量收集系統的外部結構示意圖；以及

圖6是根據本實用新型一個實施例的基于汽車振動的能量收集系統的電路圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

下面參照附圖來描述本實用新型提出的基于汽車振動的能量收集系統和具有其的汽車。

圖1是根據本實用新型一個實施例的基于汽車振動的能量收集系統的結構框圖。如圖1所示，該基于汽車振動的能量收集系統包括：本體1000、能量收集裝置1100、無線信號發生器1200、低功耗轉換電路1300和接口裝置1400。

其中，能量收集裝置1100、無線信號發生器1200和低功耗轉換電路1300設置在本體1000之中，接口裝置1400設置在本體1000之上。能量收集裝置1100用以收集汽車振動產生的能量。接口裝置1400用以連接外部傳感器。低功耗轉換電路1300分別與能量收集裝置1100、接口裝置1400和無線信號發生器1200相連，低功耗轉換電路1300將能量收集裝置1100收集到的能量轉換為電能以分別供給無線信號發生器1200和外部傳感器2000，無線信號發生器1200還與接口裝置1400相連以將外部傳感器2000采集的數據信息無線傳輸給汽車的信息處理裝置。其中，接口裝置1400可以為通用接口或者標準接口，以方便與外部傳感器相連。

具體而言，汽車在使用過程中存在能量密度極高的機械振動，如果能收集機械振動為傳感器2000供電，則可以使傳感器2000在汽車生命周期中無需連接蓄電池供電系統。同時，輔助集成無線信號發生器1200，使得傳感器2000通過無線方式將采集的數據信息發送至汽車的信息處理裝置，從而徹底擺脫了復雜的線束布置，極大地提高了傳感器網絡布置的自由度和便利性，客觀上為汽車智能化提供條件。

需要說明的是，能量收集系統需高效率收集汽車行駛過程的振動能量，通常收集效率可以用峰值振動效率下單位體積輸出的功率來表示，而傳感器2000所需的功率密度至少為100μW/cm³，因此，能量收集系統所收集的能量的功率水平應大于傳感器2000所需的功率， 即能量收集系統輸出的功率密度應大于100μW/cm³，以保證傳感器2000正常工作。

根據本實用新型的一個實施例，如圖2所示，能量收集裝置1100包括多組懸臂梁1110，多組懸臂梁1110可以為三組，且每組懸臂梁1110的長度不同。如圖3所示，多組懸臂梁1110中的每組懸臂梁1110包括上下對應設置的第一彈性基片1111和第二彈性基片1112，第一彈性基片1111和第二彈性基片1112的上下兩側設置對稱的壓電陶瓷晶片1113，第一彈性基片1111與第二彈性基片1112的末端懸空且相對側設置極性相反的磁鐵1114。

進一步地，每組懸臂梁1110的首端通過固定件1115與汽車的振動源剛性連接，用于提供振動激勵。

具體地，能量收集裝置1100采用基于壓電陶瓷雙晶片的懸臂梁陣列結構，這種結構具有如下優勢：由于懸臂梁在收集機械振動時效率極高，但存在共振頻率寬度較低的缺點，而采用三種或三種以上長度的懸臂梁，可以大大提高懸臂梁的共振頻率(工作頻率)范圍；同一種長度的懸臂梁存在上下兩片結構，其末端的重量塊為一對相互吸引的磁鐵，這種結構不僅可以進一步提高能量收集的效率，還能使該長度下對應的共振頻率范圍進一步拓寬。因此，這種基于壓電陶瓷雙晶片的懸臂梁陣列結構在提高振動能量收集效率和高效共振頻率寬度上具有極大優勢。另外，不等長的懸臂梁陣列結構還有利于空間的充分利用，如圖2所示，無線信號發生器1200和低功耗轉換電路1300的布置就充分利用了不等長懸臂梁陣列結構所產生的空間，可以降低整個能量收集系統的體積。

進一步地，可以按照圖3所示的結構將壓電陶瓷晶片1113和極性相反的磁鐵1114粘接在第一彈性基片1111和第二彈性基片1112上。其中，極性相反的磁鐵1114相互吸引，一方面可以降低整體共振頻率至所需要的范圍和增大振幅，另一方面可以使兩個懸臂梁振動相互耦合，在增加共振頻率寬度的同時維持最大振動幅度。在實際應用中，能量收集系統的輸出功率峰值可達50mW，輸出功率密度可達1mW/cm³，滿足絕大多數低功耗無線信號發生器120和傳感器2000所需的功率水平。

根據本實用新型的一個實施例，如圖4所示，上述的基于汽車振動的能量收集系統，還包括設置在本體之中的能量存儲裝置1500，能量存儲裝置1500分別與低功耗轉換電路1300、接口裝置1400和無線信號發生器1200相連，能量存儲裝置1500用于儲存電能以在汽車處于靜止狀態時分別給無線信號發生器1200和外部傳感器2000供電。其中，能量存儲裝置1500可由鋰電池或儲能電容器(如超級電容器)構成。

具體地，在汽車正常行駛過程中，可以通過能量收集裝置1100收集汽車的機械振動，并通過低功耗轉換電路1300將機械振動轉化為電能，一方面為外部傳感器2000提供電能，另一方面為無線信號發生器1200提供電能，外部傳感器2000將采集的數據信息通過無線信號發生器1200傳輸給外部信息處理裝置。由于能量收集系統所收集的能量的功率水平大 于傳感器2000和無線信號發生器1200所需的功率，因此可將多余的電能存儲于能量存儲裝置1500(如鋰電池或超級電容器等)中。當汽車處于靜止狀態時，能量收集裝置1100收集不到足夠的機械振動給無線信號發生器1200和外部傳感器2000供電，此時可通過能量存儲裝置1500給無線信號發生器1200和外部傳感器2000供電。例如，在汽車處于靜止狀態時，可通過能量收集裝置1100給GPS傳感器、車內車外溫度傳感器、路況傳感器、胎壓傳感器、防盜傳感器、紅外信號接收傳感器等各類需要長時間處于工作狀態的傳感器供電，保證傳感器正常工作。

另外，如圖2所示，在對能量存儲裝置1500進行布置時，也充分利用了不等長懸臂梁陣列結構所產生的空間，采用這種布置方式的能量收集系統的體積可達到60mm×60mm×20mm。在實際應用中，如果需要能量收集系統小型化，可以按照比例進一步縮小該能量收集系統。

考慮到能量收集系統應高度可靠，盡量使其在汽車的整個生命周期中無需更換，因此，該能量收集系統的封裝也需要著重考慮。

根據本實用新型的一個實施例，本體1000內封裝成真空環境，即，能量收集系統為全封閉內真空系統，以在汽車長期使用過程中，在無外力強制破壞的條件下，可以不用對其進行更換，從而有效避免了采用電池供電時帶來的更換電池極其復雜的問題，尤其是在傳感器較多的情況下，并且避免了傳感器在關鍵時刻電量耗盡而失效的風險，提高了汽車的安全性和用戶體驗。另外，由于能量收集系統采用全封閉真空結構，在布置過程中，無需考慮外界溫度、濕度等環境，提高了其應用范圍。

根據本實用新型的一個實施例，如圖5所示，本體1000上還設置多個安裝孔1600以將能量收集系統安裝在汽車上。例如，可以通過本體1000表面上設置的多個標準化的安裝孔1600(如M3螺栓孔)輕松地將能量收集系統布置在汽車底盤、車身、發動機艙等位置，防止汽車行駛過程中出現掉落現象。

在本實用新型的一個實施例中，每組懸臂梁1110中的壓電陶瓷晶片1113并聯連接后與低功耗轉換電路1300相連。

具體地，如圖6所示，當多組懸臂梁1110為三組時，多組懸臂梁1110一共有6組壓電陶瓷晶片1113，將6組壓電陶瓷晶片1113并聯后，連接到低功耗轉換電路1300的輸入端。低功耗轉換電路1300的輸出端連接至鋰電池和無線信號發生器1200，外部傳感器2000由無線信號發生器1200引出，具體電路結構這里不再詳述。

綜上所述，本實用新型的基于汽車振動的能量收集系統，通過能量收集裝置收集汽車振動產生的能量，并通過低功耗轉換電路將能量收集裝置收集到的能量轉換為電能以分別供給無線信號發生器和外部傳感器，并且，無線信號發生器將外部傳感器采集的數據信息 無線傳輸給汽車的信息處理裝置。該系統將汽車機械振動產生的能量轉換為電能給傳感器和無線信號發生器供電，使得傳感器在汽車生命周期中無需連接蓄電池供電系統，并且傳感器通過無線方式進行數據傳輸，徹底擺脫了復雜的線束布置，極大地提高了傳感器布置的自由度和便利性，客觀上為汽車智能化提供條件。

此外，本實用新型還提出了一種汽車，其包括上述的基于汽車振動的能量收集系統。

本實用新型的汽車，通過上述的能量收集系統，能夠將汽車機械振動產生的能量轉換為電能給傳感器和無線信號發生器供電，使得傳感器無需連接蓄電池供電系統，并且傳感器通過無線方式進行數據傳輸，徹底擺脫了復雜的線束布置，極大地提高了傳感器布置的自由度和便利性，客觀上為汽車智能化提供條件。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本實用新型的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系，除非另有明確的限定。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者 特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

盡管上面已經示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在本實用新型的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。