一種基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置，其特征是設(shè)置壓電俘能器，用于收集汽車發(fā)動機的無效振動能量并轉(zhuǎn)化為電能作為壓電俘能器的輸出電壓；充電保護電路用于接收并檢測來自壓電俘能器的輸出電壓，濾除輸出電壓中的高電壓和過低電壓后產(chǎn)生交流輸出信號，經(jīng)電路控制系統(tǒng)和脈沖轉(zhuǎn)化器，以脈沖信號對汽車蓄電池進行充電。本發(fā)明專利技術(shù)用于獲取汽車行車過程中發(fā)動機的無效振動能量，可有效提高汽車能量的利用率，能夠高效、安全且穩(wěn)定地為蓄電池進行充電。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置
本專利技術(shù)涉及一種基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置，屬于汽車能量利用領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
隨著我國汽車保有量的劇增，汽車能源消耗不斷增加，汽車能量的高效利用正成為人們關(guān)注的焦點。發(fā)動機振動主要表現(xiàn)形式為外部振動。發(fā)動機外部振動主要是由于活塞往復運動產(chǎn)生的慣性力，以及曲柄回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力引起的發(fā)動機整體的振動。發(fā)動機振動不僅會損傷內(nèi)部零件，縮短自身壽命，還會導致輸出功率下降、乘坐舒適性降低。發(fā)動機外部振動的減振方式最常用的是發(fā)動機懸置系統(tǒng)，該系統(tǒng)能承受動力總成的重量和來自發(fā)動機扭矩的作用力，同時吸收路面的沖擊和抑制發(fā)動機啟動時的搖擺。常見的懸置系統(tǒng)有橡膠懸置、液壓懸置、半主動和主動懸置。壓電材料是一種當壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料，可實現(xiàn)機械振動和交流電的互相轉(zhuǎn)換，且結(jié)構(gòu)形式多樣，體積節(jié)約空間，具有較高的能量密度、結(jié)構(gòu)簡單、易于系統(tǒng)集成，可將其用于發(fā)動機振動能量的回收。雖然利用懸置系統(tǒng)能很好地減少發(fā)動機外部振動，但是這些振動能量大多是以熱能的形式消散，沒有得到充分的回收利用。當前許多研究利用壓電材料收集汽車的振動能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能，既回收了能量，又增強了減振性能。例如，中國專利申請CN200910063679.8公開的“一種利用車輛行駛時的振動能進行發(fā)電的裝置”，利用安裝在車輛減振彈簧伸縮端的發(fā)電裝置發(fā)電，但是所述方案需要安裝較復雜的發(fā)電裝置，并且能量轉(zhuǎn)化率較低；中國專利申請201310023006.6公開的“一種汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法”，利用汽車車身壁板的振動結(jié)合控制算法實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的主被動混合控制，但是所述方案需要較復雜的控制系統(tǒng)，所需復合材料成本高，并且車身振動頻率低，能量利用效果差；中國專利申請201520142879.3公開的“汽車懸架系統(tǒng)壓電阻尼裝置”，則利用壓電板與彈簧振子構(gòu)成力電耦合系統(tǒng)，將吸收的振動能量轉(zhuǎn)化成電能加以存儲，其充電電路主要由橋式整流電路、濾波電路，加上穩(wěn)壓電路組成。其作用是將壓電俘能器上產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化成直流電，并將電壓加以限制后輸出給蓄電池。但是，將壓電俘能器安裝與車架與車橋之間的懸架位置上的方式，由于懸架振動頻率低，不能保證壓電俘能器持續(xù)輸出交變電流；而且，電路缺少保護，電路元件會由于瞬時電壓過大而燒毀，或由于電壓過小導致元件的利用率降低。因此，現(xiàn)有研究存在以下缺點：1、振動源振動頻率低，汽車無效振動的能量轉(zhuǎn)化率低，不能有效供給蓄電池充電。2、壓電俘能充電電路缺少保護措施，過大或過小的瞬時電壓會造成電路元件的損壞，電路系統(tǒng)的安全性較差。3、利用振動能量給汽車蓄電池充電的充電方式多采用直流充電，充電效率低，而且，電解質(zhì)在電極附近堆積，對電極板有強烈的腐蝕作用，造成電極損壞，電池壽命降低。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置，首先，采用壓電俘能器收集發(fā)動機振動能量；然后，通過電路控制系統(tǒng)將交變電轉(zhuǎn)換為直流電；最后，設(shè)置脈沖轉(zhuǎn)化器將直流電變?yōu)檩敵鲱l率穩(wěn)定的脈沖電，利用正負脈沖充電的形式為汽車蓄電池充電，并在電路中設(shè)置保護電路，在檢測電路輸入電壓的同時濾去高電壓和過低電壓，避免電路產(chǎn)生高熱，實現(xiàn)對電路元件的保護。通過獲取汽車行車過程中發(fā)動機的無效振動能量，高效、安全、穩(wěn)定地為蓄電池充電。本專利技術(shù)為解決所述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：本專利技術(shù)基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置的結(jié)構(gòu)特點是：壓電俘能器，用于收集汽車發(fā)動機的無效振動能量并轉(zhuǎn)化為電能作為壓電俘能器的輸出電壓；充電保護電路，用于接收并檢測來自所述壓電俘能器的輸出電壓，濾除所述輸出電壓中的高電壓和過低電壓后產(chǎn)生交流輸出信號，并輸出至后續(xù)電路控制系統(tǒng)；所述電路控制系統(tǒng)，用于接收來自所述充電保護電路的交流輸出信號，經(jīng)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓以直流信號輸出；脈沖轉(zhuǎn)化器，用于接收來自所述電路控制系統(tǒng)的直流信號，通過電壓特性調(diào)整輸出脈沖信號，以所述脈沖信號對汽車蓄電池進行充電。本專利技術(shù)基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置的特點也在于：所述壓電俘能器包括環(huán)形壓電陶瓷和片形壓電陶瓷，所述環(huán)形壓電陶瓷安裝在發(fā)動機前懸置系統(tǒng)中，所述片形壓電陶瓷安裝在發(fā)動機后懸置系統(tǒng)中；所述環(huán)形壓電陶瓷和片形壓電陶瓷是以壓電陶瓷材料PZT為材質(zhì)。本專利技術(shù)基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置的特點也在于：所述環(huán)形壓電陶瓷粘接在發(fā)動機前懸置系統(tǒng)中前置橡膠主簧與金屬骨架之間；所述片形壓電陶瓷粘接在發(fā)動機后懸置系統(tǒng)中后置橡膠主簧金屬基座之間。本專利技術(shù)基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置的特點也在于：所述充電保護電路包括分壓電阻R1、穩(wěn)壓二極管D1和D2、二極管D3和D4，以及直流電源V1和V2；變壓器T的初級端的端點a與電阻R1的一端相連接，變壓器T的初級端的端點b與壓電俘能器的一端連接，所述分壓電阻R1的另一端與所述壓電俘能器的另一端連接，形成分壓電阻R1與壓電俘能器的串聯(lián)連接；穩(wěn)壓二極管D1的陰極接端點a，穩(wěn)壓二極管D1的陽極與穩(wěn)壓二極管D2的陽極相連接，穩(wěn)壓二極管D2的陰極與二極管D3的陽極以及直流電源V2的負極共同連接，二極管D3的陰極接直流電源V1的正極，直流電源V2的負極與二極管D4的陽極共同接入所述端點b，二極管D4的陰極接直流電源V2的正極，以所述變壓器T的次極端的端點c和端點d的輸出信號作為后續(xù)電路控制系統(tǒng)的輸入信號。本專利技術(shù)基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置的特點也在于：所述電路控制系統(tǒng)包括二極管D5、D6和D7，電容C1、C2、C3、C4和C5、輸出電阻R2以及三端穩(wěn)壓器W；所述變壓器T的次級端的端點c與二極管D5的陰極及電容C1的一端共同連接，二極管D5的陽極與二極管D6的陰極、電容C2以及電容C3的一端共同連接，二極管D6的陽極與電容C1的另一端以及二極管D7的陰極共同連接，電容C3的另一端與二極管D7的陽極、電容C4的一端以及三端穩(wěn)壓器W的第一端口共同連接，三端穩(wěn)壓器W的第二端口與電容C5的一端及輸出電阻R2的一端共同連接至端點f，輸出電阻R2的另一端與電容C4的另一端、電容C5的另一端以及三端穩(wěn)壓器W的第三端口共同連接至端點e，端點d和端點e接地，以端點e和端點f的輸出信號作為后續(xù)脈沖轉(zhuǎn)化器的輸入信號。本專利技術(shù)基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置的特點也在于：設(shè)置所述脈沖轉(zhuǎn)化器的一個脈沖周期為1080毫秒，占空比為0.898。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)有益效果體現(xiàn)在：1、本專利技術(shù)利用壓電俘能器俘獲汽車發(fā)動機的無效振動能量，避免了振動能量以其它形式損失，提高了振動能量的利用率；發(fā)動機振動頻率高，保證了振動能量吸收過程的連續(xù)，提高了能量轉(zhuǎn)化率，應用前景好。2、本專利技術(shù)采用充電保護技術(shù)，解決了充電過程中壓電俘能器產(chǎn)生的電壓過大或過小的問題，避免了電路高熱引發(fā)的電子元件損壞，改善了電路系統(tǒng)的安全性。3、本專利技術(shù)利用正負脈沖充電形式給蓄電池充電，此脈沖充電使蓄電池在一個脈沖周期內(nèi)有970毫秒左右的較充分的正向充電時間，使占空比達到0.898，蓄電池的充電效率達到90％以上；通過加入充、放電時間比為19～22的反向放電脈沖，使蓄電池的充電時間比普通恒流形式充電時更短，同時避免了由于充電時間過長造成的過度充電，減少了對電極板的腐蝕本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置，其特征是設(shè)置：壓電俘能器(1)，用于收集汽車發(fā)動機(6)的無效振動能量并轉(zhuǎn)化為電能作為壓電俘能器(1)的輸出電壓；充電保護電路(2)，用于接收并檢測來自所述壓電俘能器(1)的輸出電壓，濾除所述輸出電壓中的高電壓和過低電壓后產(chǎn)生交流輸出信號，并輸出至后續(xù)電路控制系統(tǒng)(3)；所述電路控制系統(tǒng)(3)，用于接收來自所述充電保護電路(2)的交流輸出信號，經(jīng)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓以直流信號輸出；脈沖轉(zhuǎn)化器(4)，用于接收來自所述電路控制系統(tǒng)(3)的直流信號，通過電壓特性調(diào)整輸出脈沖信號，以所述脈沖信號對汽車蓄電池(5)進行充電。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置，其特征是設(shè)置：壓電俘能器(1)，用于收集汽車發(fā)動機(6)的無效振動能量并轉(zhuǎn)化為電能作為壓電俘能器(1)的輸出電壓；所述壓電俘能器(1)包括環(huán)形壓電陶瓷(10)和片形壓電陶瓷(13)，所述環(huán)形壓電陶瓷(10)安裝在發(fā)動機前懸置系統(tǒng)(15)中，所述片形壓電陶瓷(13)安裝在發(fā)動機后懸置系統(tǒng)(16)中；所述環(huán)形壓電陶瓷(10)和片形壓電陶瓷(13)是以壓電陶瓷材料PZT為材質(zhì)；充電保護電路(2)，用于接收并檢測來自所述壓電俘能器(1)的輸出電壓，濾除所述輸出電壓中的高電壓和過低電壓后產(chǎn)生交流輸出信號，并輸出至后續(xù)電路控制系統(tǒng)(3)；所述電路控制系統(tǒng)(3)，用于接收來自所述充電保護電路(2)的交流輸出信號，經(jīng)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓以直流信號輸出；脈沖轉(zhuǎn)化器(4)，用于接收來自所述電路控制系統(tǒng)(3)的直流信號，通過電壓特性調(diào)整輸出脈沖信號，以所述脈沖信號對汽車蓄電池(5)進行充電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置，其特征是：所述環(huán)形壓電陶瓷(10)粘接在發(fā)動機前懸置系統(tǒng)中前置橡膠主簧(8)與金屬骨架(9)之間；所述片形壓電陶瓷(13)粘接在發(fā)動機后懸置系統(tǒng)中后置橡膠主簧(12)與金屬基座(11)之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電材料的汽車發(fā)動機振動俘能裝置，其特征是：所述充電保護電路(2)包括分壓電阻R1、穩(wěn)壓二極管D1和D2、二極管D3和D4，以及直流電源V1和V2；變壓器T的初級端的端點a與電阻R1的一端相連接，變壓器T的初級端的端點b與壓電俘能器(1)的一端連接，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳一鍇，李雪，陳健，王威，成歡，張玉潔，王凱，石琴，
申請(專利權(quán))人：合肥工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽;34