基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置的制造方法
【專利摘要】基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，涉及一種電動汽車發電裝置，該裝置包括壓電片在輪輞中的分布系統、電荷收集系統和儲能系統。壓電材料在受到外界應力時在其表面會產生大量電荷，本發明利用壓電材料這一特性作為電荷產生裝置。以納米ZnO陶瓷片組成發電單元，充分利用壓電材料儲存能量的形式和能量釋放速率的不同，分兩次對其電場能和應變場能分別收集，以充分利用發電材料產生的電荷。本發明充分利用綠色環保可再生能源，本發明電荷收集、存儲和利用過程易于控制，輸出的電能可直接用于電動汽車電源系統進行充電，充電效率高，大大降低能源成本，尤其適用于當下節能減排、綠色環保、高效利用能源的潮流。
【專利說明】
基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種電動汽車發電裝置，特別是涉及一種基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置。
【背景技術】
[0002]壓電材料是指在受到壓力作用時會在兩端面間出現電荷和電壓的材料。利用壓電材料這一性質可實現機械能與電能的相互轉換。壓電效應的原理是，當壓電晶體在外力作用下發生形變時，在它的某些相對應的表面產生異號電荷，這種沒有外界附加電場作用，只是由于形變而產生的電荷現象稱為正壓電效應。與之對應當對壓電材料施加一外電場時，不僅在壓電材料兩端產生電荷，同時也產生形變的現象稱為逆壓電效應。壓電發電技術涉及材料、機械、電子、自動化、電氣工程等諸多學科。因此，有許多學科之間交叉的問題尚未解決，在該領域尚需進行大量的理論研究和實驗分析。然而，隨著電子元器件的高度集成化、低功耗電子器件和無線電射頻技術的發展，為壓電發電技術的應用提供了重要基礎;另一方面，隨著制造技術和材料科學的發展，不斷出現了高發電性能、高機電耦合轉換效率的壓電材料。壓電發電與其他發電形式相比，壓電發電裝置結構簡單、不發熱、無電磁干擾、易加工制作，實現結構上的微小化、集成化較容易，尤其適用于各類傳感器、監測系統和其它低功耗電子設備。壓電發電由于其自身的優點，越來越受到人們的廣泛關注，在醫療、軍事等領域已經開展了相關的研究工作，并成為目前新型發電方式中的一個研究熱點。隨著生活水平的不斷增高，國人的汽車擁有率也逐年增高。汽車的運行需要汽油或者天然氣，這都是一些污染性的物質，會對人體和自然產生副作用。現在國際倡導保護環境、高效節能，通過對機一電耦合與轉換效應的高效壓電發電汽車的研發來實現這一目的。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，提供了一種輕便發電裝置，以充分利用汽車行駛過程中對輪胎的機械壓力，提高電動汽車的續航時間，降低新能源汽車能源成本。
[0004]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，所述發電裝置發電單元是由納米ZnO陶瓷片在高強度的碳纖維上經堆積、并聯而成的無底圓筒形狀，電荷收集裝置是根據能量形式不同的分兩次高效收集能量裝置，通過DC-DC變換器控制將收集的電荷暫存于超級電容器，充電電路是自適應形充電開關電路;無底圓筒形發電單元是均勻分布于汽車輪輞及其其它圓形交通工具的輪軸上，由碳纖維作為底座構成等臂式壓電振子，壓電振子粘附在輪輞表面，經并聯后與電荷收集裝置相連;根據能量形式不同的分兩次高效收集能量裝置是一次能量收集裝置，收集電場能瞬間釋放的能量;二次能量回收裝置是回收應變場產生的較為緩慢的能量，該裝置由電流放大器、整流濾波電路、模擬電子開關、簡易車速檢測裝置、DC-DC降壓變換器及電容連接而成;DC-DC變換器的控制作用，控制是否對超級電容器充電，同時電荷收集裝置放電，利用DC-DC變換器的均壓作用，實現收集部分和儲存部分的通斷；自適應形充電開關電路，是通過電子電路，檢測充電電壓、電流特征以判定是否對電源進行充電，并對電源有保護的作用的裝置。
[0005]所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，所述壓電陶瓷片用碳纖維支撐，并從其中一端的兩表面引出兩條高強度耐磨導線與其下層的壓電片并聯，將堆疊的壓電片通過底層的碳纖維粘附于汽車的橡膠輪胎內部的輪輞上，壓電片上引出的導線經橡膠輪胎與擋圈之間引出與電流放大器輸入端連接；電流放大器、整流濾波器模擬電子開關S1、S2、S3，簡易測速裝置、一次電荷收集裝置、二次電荷收集裝置、DC-DC降壓器安放于電路板上并固定于輪輻上；電流放大器輸出端與整流濾波電路輸入端相連，整流濾波器輸出端分別與電子開關S1、簡易車速控制裝置相連接，簡易車速控制裝置輸出端直接連接電子開關S2，信號輸出端與S2的控制輸入口連接，DC-DC降壓器的控制輸出端分別與S2、S3連接，輸出端與超級電容器連接;超級電容器引出導線，經車輪與輪軸之間已有的部件引至汽車電源處，依次與穩壓器、電壓比較器、電壓放大器充電控制芯片、模擬電子開關、電源相連，電壓比較器輸入端分別與超級電容器和穩壓器輸出端連接，輸出端與充電控制芯片連接。
[0006]所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，所述壓電陶瓷片以3-5層堆疊，兩列緊密排布在輪輞上，并依次分A、B、C、D四個區，各區均有導線與外界相連。
[0007]所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，所述電流放大器采用0PA333型號運算放大器，整流電路采用橋式整流電路，一、二次電荷收集裝置采用電容收集，由兩耐壓值介于25-50V的陶瓷電容并聯按構成。
[0008]所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，所述電子開關
S1、S2分別與一次電荷收集裝置、S3連接，S3接二次電荷收集裝置;一次二次電荷收集裝置同時與DC-DC降壓器輸入端連接。
[0009]所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，所述超級電容器采用3V、300F電容，由兩只串聯而成。
[0010]所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，所述穩壓器采用RH-RHMK連續導電式直流穩壓器，電壓放大器采用D623 3_48電壓放大器模塊，電壓比較采用LM211P型差分電壓比較器、充電控制芯片采用TMS320LF2407。
[0011]所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述充電控制芯片與電池管理系統相連，充電控制芯片輸出端與模擬電子開關S4連接。
[0012]本發明的優點與效果是:
本發明公開了一種基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，包括壓電片在輪輞中的分布系統、電荷收集系統和儲能系統。壓電材料在受到外界應力時在其表面會產生大量電荷，本發明利用壓電材料這一特性作為電荷產生裝置。以納米ZnO陶瓷片組成發電單元，充分利用壓電材料儲存能量的形式和能量釋放速率的不同，分兩次對其電場能和應變場能分別收集，以充分利用發電材料產生的電荷。并利用儲能裝置將產生的電荷儲存到新能源電動汽車電源系統供其使用。本發明利用新能源電動汽車在行駛過程中安裝在輪胎輪輞處的納米壓電陶瓷片在受到壓力時產生的電荷，進行高效的收集和利用，以增加新能源汽車續航時間。本發明充分利用綠色環保可再生能源，本發明結構簡單，電荷收集、存儲和利用過程易于控制，輸出的電能可直接用于對新能源電動汽車電源系統進行充電，充電效率高，大大降低能源成本，尤其適用于當下節能減排、綠色環保、高效利用能源的潮流，具有很好的市場應用前景和明顯的經濟效益。
【附圖說明】
[0013]圖1為多片壓電片在輪輞上的堆疊及排列形式；
圖2為能量收集部分示意圖；
圖3為儲能部分不意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
[0015]本發明基于機一電耦合與轉換效應的新型高效直流壓電發電機裝置，結合汽車輪胎內部空間小，受力大的特點，其以納米陶瓷壓電材料作為壓電單元，在較小空間內采用堆疊、并聯的方式平鋪于汽車輪輞內側，使裝置盡可能多的產生電荷并盡可能高的提高對外界應力的承受能力。在收集電荷方面，一次電荷收集裝置收集壓電材料瞬間產生的電場能，二次收集裝置通過對車速的判斷，適時自動收集壓電材料的應變場能量。將每次收集到的微小能量通過導線與固定在輪輞外側的DC-DC變換器相連，DC-DC變換器通過檢測收集裝置電壓和其后的超級電容器的電壓，利用其均壓作用，適時自動的將收集到的電能暫存于超級電容器中。超級電容器與電壓放大裝置、電源控制與管理系統構成一智能充電裝置，在充電控制芯片的控制下，最終將收集的電能充入電動汽車電源系統中。結合汽車自身重力較大以及汽車各零件連接復雜等因素，在材料方面，使用納米ZnO陶瓷片作為壓電材料，一方面可以減小壓電單元的體積，使其適應于汽車組成結構；另一方面，利用納米ZnO陶瓷片的耐壓性以提高本裝置的可靠性及其壽命。在能量收集方面，利用能量密度較高的納米壓電材料，并分別對能量進行收提高裝置的高效性。在兼容方面，對發出的電能通過控制電路直接充入汽車自帶電源，做到了充分收集，及時利用；在應用方面，將此裝置不僅可以用于汽車，還可用于其他輪軸類及周期性運動的機械。
實施例
[0016]如圖所示，本發明為一種將壓電單元置于輪胎中的壓電發電裝置。包括:1.壓電陶瓷片、2.碳纖維、3.導線、4.橡膠輪胎、5.輪輞、6.擋圈、7.輪輻、8.電流放大器、9.整流濾波器、10.簡易測速裝置、11.一次電荷收集裝置、12.二次電荷收集裝置、13.DC-DC降壓器、14.超級電容器、15.穩壓器、16.電壓比較器、17.電壓放大器、18.充電控制芯片、19.汽車電源、20.電源控制與管理系統;模擬電子開關31、32、33、34。
[0017]具體連接方式如下:
壓電陶瓷片I用碳纖維2支撐，并從其中一端的兩表面引出兩條高強度耐磨導線3與其下層的壓電片并聯，將堆疊的壓電片通過底層的碳纖維粘附于汽車的橡膠輪胎4內部的輪輞5上，壓電片的規格為30mm*10mm*2mm，以3-5層堆疊，兩列緊密排布在輪輞上，并依次分A、B、C、D四個區，各區均有導線與外界相連。
[0018]2.將由壓電片上引出的導線經橡膠輪胎與擋圈6之間引出與電流放大器8輸入端連接。
[0019]3.電流放大器、整流濾波器9模擬電子開關S1、S2、S3、簡易測速裝置10、一次電荷收集裝置11、二次電荷收集裝置12、DC-DC降壓器13安放于電路板上并固定于輪輻7上。電流放大器采用0PA333型號運算放大器，整流電路采用橋式整流電路，一、二次電荷收集裝置采用電容收集，由兩耐壓值介于25-50V的陶瓷電容并聯按構成，容量介于0.1-1F之間。
[0020]4.電流放大器輸出端與整流濾波電路輸入端相連，整流濾波電路輸出端分別與電子開關S1、簡易車速控制裝置相連接、簡易車速控制裝置輸出端直接連接電子開關S2，信號輸出端與S2的控制輸入口連接，電子開關S1、S2分別與一次電荷收集裝置、S3連接，S3接二次電荷收集裝置;一次二次電荷收集裝置同時與DC-DC降壓器輸入端連接。
[0021 ] 5.DC-DC降壓器的控制輸出端分別與S2、S3連接，輸出端與超級電容器14連接。超級電容器采用3V、300F的電容，由兩只串聯而成。
[0022]6.由超級電容器引出導線，經車輪與輪軸之間已有的部件引至汽車電源附近，依次與穩壓器15、電壓比較器16、電壓放大器17充電控制芯片18、模擬電子開關S4、汽車電源19相連，其中穩壓器采用RH-RHMK連續導電式直流穩壓器，電壓放大器采用D623 3_48電壓放大器模塊，電壓比較采用LM211P型差分電壓比較器、充電控制芯片采用TMS320LF2407。
[0023]7.電壓比較器輸入端分別與超級電容器和穩壓器輸出端連接，輸出端與充電控制芯片連接。充電控制芯片與電源控制與管理系統20相連，充電控制芯片輸出端與模擬電子開關S4連接。
[0024]本具體實施方案中采用一次、二次能量收集裝置，兩裝置分別由導線與粘附與輪輞上的四個區的壓電單元相連接，兩者互不影響，均由電容器構成。一次電荷收集裝置始終與各壓電單元相連，二次電荷收集裝置通過電子開關控制其與壓電單元的通斷，開關控制的依據是對車速的檢測，二次電荷收集的到電能較小，經電壓電壓放大器以減小電能的損失；同時，由于兩電荷收集裝置受其電容值的大小所約束，所以由DC-DC轉換器控制其與超級電容器的通斷。
[0025]本具體實施方案中多片壓電片并聯的方式堆疊，采用的是等臂式壓電振子，電壓產生的大小與壓電片的厚度成正比關系，現與汽車輪輞結構所約束，采用30mm*10mm*2mm的規格，在具體情況時應在有限空間內可適量提高壓電片的厚度及堆疊層數。結合汽車在不同環境下行駛速度的不同，將發電單元分成四個區，做到在裝置比較簡單的條件下高效收集所產生的能量。
[0026]本實施方案中以普通新能源轎車為例，該車每百公里耗電量約為16千瓦時，每個輪胎所受壓強約為2.2MPa，每區壓電片數量70片，經測定，在此條件下單片產生峰值電能為80mW，當車以72km/h行駛時，每百公里可產生1.24千瓦時的能量，可供電車約續航9.6公里，也即可提高電車10%的續航能力。
[0027]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，上述實施例和說明書中描述的只是基本的原理，當不能以此限定本發明實施的范圍，凡依本發明所作的等同變化與修飾，都應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述發電裝置發電單元是由納米ZnO陶瓷片在高強度的碳纖維上經堆積、并聯而成的無底圓筒形狀，電荷收集裝置是根據能量形式不同的分兩次高效收集能量裝置，通過DC-DC變換器控制將收集的電荷暫存于超級電容器，充電電路是自適應形充電開關電路;無底圓筒形發電單元是均勻分布于汽車輪輞及其其它圓形交通工具的輪軸上，由碳纖維作為底座構成等臂式壓電振子，壓電振子粘附在輪輞表面，經并聯后與電荷收集裝置相連;根據能量形式不同的分兩次高效收集能量裝置是一次能量收集裝置，收集電場能瞬間釋放的能量;二次能量回收裝置是回收應變場產生的較為緩慢的能量，該裝置由電流放大器、整流濾波電路、模擬電子開關、簡易車速檢測裝置、DC-DC降壓變換器及電容連接而成;DC-DC變換器的控制作用，控制是否對超級電容器充電，同時電荷收集裝置放電，利用DC-DC變換器的均壓作用，實現收集部分和儲存部分的通斷；自適應形充電開關電路，是通過電子電路，檢測充電電壓、電流特征以判定是否對電源進行充電，并對電源有保護的作用的裝置。2.根據權利要求1所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述壓電陶瓷片(I)用碳纖維(2)支撐，并從其中一端的兩表面引出兩條高強度耐磨導線(3)與其下層的壓電片并聯，將堆疊的壓電片通過底層的碳纖維粘附于汽車的橡膠輪胎(4)內部的輪輞(5)上，壓電片上引出的導線經橡膠輪胎與擋圈(6)之間引出與電流放大器(8)輸入端連接；電流放大器、整流濾波器(9)、模擬電子開關S1、S2、S3，簡易測速裝置(10)、一次電荷收集裝置(11)、二次電荷收集裝置(12)、DC-DC降壓器(13)安放于電路板上并固定于輪輻(7)上；電流放大器輸出端與整流濾波電路輸入端相連，整流濾波電路輸出端分別與電子開關S1、簡易車速控制裝置相連接，簡易車速控制裝置輸出端直接連接電子開關S2，信號輸出端與S2的控制輸入口連接，DC-DC降壓器的控制輸出端分別與S2、S3連接，輸出端與超級電容器(14)連接;超級電容器引出導線，經車輪與輪軸之間已有的部件引至汽車電源處，依次與穩壓器(15)、電壓比較器(16)、電壓放大器(17)充電控制芯片(18)、模擬電子開關(S4)、汽車電源(19)相連，電壓比較器輸入端分別與超級電容器和穩壓器輸出端連接，輸出端與充電控制芯片連接。3.根據權利要求1所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述壓電陶瓷片以3-5層堆疊，兩列緊密排布在輪輞上，并依次分A、B、C、D四個區，各區均有導線與外界相連。4.根據權利要求1所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述電流放大器采用0PA333型號運算放大器，整流電路采用橋式整流電路，一、二次電荷收集裝置采用電容收集，由兩耐壓值介于25-50V的陶瓷電容并聯按構成。5.根據權利要求1所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述電子開關S1、S2分別與一次電荷收集裝置、S3連接，S3接二次電荷收集裝置;一次二次電荷收集裝置同時與DC-DC降壓器輸入端連接。6.根據權利要求1所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述超級電容器采用3V、300F電容，由兩只串聯而成。7.根據權利要求1所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述穩壓器采用RH-RHMK連續導電式直流穩壓器，電壓放大器采用D623 3-48電壓放大器模塊，電壓比較采用LM21 IP型差分電壓比較器、充電控制芯片采用TMS320LF2407。8.根據權利要求1所述的基于壓電材料二次電荷采集的電動汽車直流壓電發電裝置，其特征在于，所述充電控制芯片與電池管理系統(20)相連，充電控制芯片輸出端與模擬電子開關S4連接。
【文檔編號】H02N2/18GK106026774SQ201610548988
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】齊德江, 王志東, 鄒毅, 張煜, 于心意, 劉樂樂, 郝侍臣, 于佳, 姜竹楠, 高志強, 韓剛, 高兢
【申請人】沈陽工程學院