應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器及其采集電路制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器及其采集電路，用于解決現(xiàn)有壓電能量采集器采集效率低的技術(shù)問題。技術(shù)方案是采集器采用沖擊式懸梁臂結(jié)構(gòu)，車輛行駛在減速帶上時，采集器內(nèi)的壓電材料將車輛的機械能轉(zhuǎn)換為電能，在車輛駛離減速帶后，懸梁臂處于帶阻尼的自由振動狀態(tài)，壓電材料繼續(xù)將自身的機械振動轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)電能的持續(xù)輸出。與其配套的采集電路通過控制和改變DC?DC開關(guān)變換器的開關(guān)周期和占空比，使其輸入阻抗能夠分別匹配壓電材料在受到?jīng)_擊期間和自由振動期間的阻抗，使壓電材料輸出的能量最大化。另外，當(dāng)沒有電能產(chǎn)生時，壓電能量采集電路進入極低功耗的休眠模式以節(jié)約能量，顯著提高了采集系統(tǒng)的采集效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種壓電能量采集器，特別是涉及一種應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器。還涉及這種應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器用采集電路。
技術(shù)介紹
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人類的生活質(zhì)量得到不斷提升。與此同時，能源危機和地球生態(tài)環(huán)境惡化日益加劇，節(jié)能減排和可再生能源成為當(dāng)今全球性的熱門課題。壓電材料可將機械能轉(zhuǎn)換成為電能，為產(chǎn)生綠色環(huán)保的可再生能源提供了有效途徑。目前，在全球范圍內(nèi)汽車保有量持續(xù)增加，汽車不僅消耗了大量的石化能源，而且導(dǎo)致了嚴重的空氣污染。收集車輛行駛過程中產(chǎn)生的動能和重力勢能，并利用壓電材料將其轉(zhuǎn)化為電能加以利用，是提高能源使用效率的新思路。文獻1“授權(quán)公告號是CN203071838U的中國技術(shù)專利”公開了一種基于壓電效應(yīng)的減速帶發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括發(fā)電裝置以及與發(fā)電裝置依次連接的電壓轉(zhuǎn)換及穩(wěn)定裝置、儲能裝置。該發(fā)電裝置包括基體支撐機構(gòu)、壓電裝置、導(dǎo)向機構(gòu)和密封機構(gòu)、壓電裝置底座。該發(fā)電裝置的工作原理是:當(dāng)減速帶受到汽車的壓力時，基體支撐機構(gòu)壓迫壓電裝置變形并產(chǎn)生電能。但是該發(fā)電裝置的缺點是，只有在車輛通過減速帶的瞬間，對發(fā)電裝置施加壓力時才產(chǎn)生電能，而當(dāng)車輛駛離減速帶后就無能量輸出，因此該裝置產(chǎn)生電能的時間非常短暫，導(dǎo)致能量采集效率低。文獻2“Resistive impedance matching circuit for piezoelectric energy harvesting，Journal of Intelligent Material Systems and Structures,September 2010,Vol.21,pp.1293-1302”中提出了一種針對振動的壓電能量采集電路實現(xiàn)方案。該電路根據(jù)阻抗匹配時可實現(xiàn)最大能量傳輸?shù)脑恚瑢C-DC開關(guān)變換器的輸入阻抗與壓電材料的輸出阻抗相匹配，提高了壓電能量采集系統(tǒng)的采集效率。該電路結(jié)構(gòu)簡單，能量消耗低。但該電路方案的缺點是，由于DC-DC開關(guān)變換器的開關(guān)控制器只產(chǎn)生固定開關(guān)周期的方波信號，因此只適用于具有固定振動頻率的壓電采集系統(tǒng)。另外，該電路方案沒有提出無能量輸入時的處理方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有壓電能量采集器采集效率低的不足，本專利技術(shù)提供一種應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器及其采集電路。該采集器采用沖擊式懸梁臂結(jié)構(gòu)，增加了電能輸出時間。車輛行駛在減速帶上時，采集器內(nèi)的壓電材料將車輛的機械能轉(zhuǎn)換為電能，在車輛駛離減速帶后，懸梁臂處于帶阻尼的自由振動狀態(tài)，壓電材料繼續(xù)將自身的機械振動轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)電能的持續(xù)輸出。與其配套的采集電路通過控制和改變DC-DC開關(guān)變換器的開關(guān)周期和占空比，使其輸入阻抗能夠分別匹配壓電材料在受到?jīng)_擊期間和自由振動期間的阻抗，使壓電材料輸出的能量最大化。另外，當(dāng)沒有電能產(chǎn)生時，壓電能量采集電路進入極低功耗的休眠模式以節(jié)約能量，顯著提高了采集系統(tǒng)的采集效率。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器，其特點是包括懸梁臂底座1、懸梁臂2、沖擊桿架3、沖擊桿4、第一彈簧5、彈簧基座6、第二彈簧7、壓電材料8和金屬薄片9。懸梁臂底座1表面的一端固定有懸梁臂2，另一端與第一彈簧5相連；懸梁臂2由壓電材料8和金屬薄片9組成，懸梁臂2的一端固定在懸梁臂底座1的表面，另一端懸空；沖擊桿架3的一面固定在減速帶頂部的正下面，另一面分別連接第一彈簧5、沖擊桿4和第二彈簧7；沖擊桿4一端固定在沖擊桿架3上，另一端懸浮于懸梁臂2的自由端的垂直上方；第一彈簧5安置于懸梁臂底座1和沖擊桿架3之間；第二彈簧7安置于彈簧基座6和沖擊桿架3之間。當(dāng)車輛到達減速帶的頂部時，車輪壓迫減速帶導(dǎo)致沖擊桿架3和沖擊桿4下降；當(dāng)沖擊桿4接觸到懸梁臂2后，懸梁臂2隨沖擊桿4運動，此時壓電材料8開始輸出電壓；隨著車輛的繼續(xù)行駛，沖擊桿4持續(xù)下降，當(dāng)車輪壓力達到最大時沖擊桿4到達最低點，此時壓電材料8輸出峰值電壓；當(dāng)車輪駛離減速帶時，由于壓力減小，彈簧的彈力迫使沖擊桿4恢復(fù)到初始位置，此時沖擊桿4與懸梁臂2不接觸，懸梁臂2將從最大位移處開始做帶阻尼的自由振動。一種上述應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器用采集電路，其特點是包括全橋整流器、DC-DC開關(guān)變換器和開關(guān)信號控制器。全橋整流器的輸入端與壓電材料的輸出電極相連，壓電材料的輸出電壓經(jīng)過全橋整流器整流后輸出給DC-DC開關(guān)變換器。開關(guān)信號控制器的輸出連接DC-DC開關(guān)變換器的功率級開關(guān)管NM1的柵極，用于控制DC-DC開關(guān)變換器實現(xiàn)對儲能器件的充電。開關(guān)信號控制器產(chǎn)生周期性的方波信號控制DC-DC開關(guān)變換器的功率級開關(guān)管NM1的通斷。所述的開關(guān)信號控制器由喚醒模塊、開關(guān)信號產(chǎn)生模塊、沖擊周期檢測模塊以及開關(guān)信號變換模塊組成。喚醒模塊的輸入端連接在全橋整流器的輸出端，其輸出信號分別連接到?jīng)_擊周期檢測模塊、開關(guān)信號產(chǎn)生模塊以及開關(guān)信號變換模塊，以啟動和控制這三個電路模塊工作。沖擊周期檢測模塊的輸入端連接在壓電材料的輸出電極兩端，輸出端連接到開關(guān)信號變換模塊。開關(guān)信號變換模塊的輸出端連接開關(guān)信號產(chǎn)生模塊，開關(guān)信號產(chǎn)生模塊的輸出端連接到DC-DC開關(guān)變換器的功率級開關(guān)管NM1的柵極。喚醒模塊的功能是檢測汽車能量并啟動其它電路開始工作；開關(guān)信號產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生控制功率級開關(guān)管NM1通斷的周期性方波信號；沖擊周期檢測模塊的功能是檢測沖擊周期是否結(jié)束；開關(guān)信號變換模塊接收到?jīng)_擊周期結(jié)束的信號后，向開關(guān)信號產(chǎn)生模塊發(fā)出變換開關(guān)信號周期的指示信號。所述的開關(guān)信號控制器能夠及時準確地檢測有無車輛通過減速帶，并控制整個能量采集電路的工作。當(dāng)沒有車輛通過時，控制能量采集電路使其工作在低功耗的休眠狀態(tài)；而當(dāng)車輛到來時，控制DC-DC開關(guān)變換器為儲能器件充電。另外，在壓電能量轉(zhuǎn)換過程中，開關(guān)信號控制器還要控制DC-DC開關(guān)變換器的開關(guān)周期和占空比，使其與壓電材料實現(xiàn)阻抗匹配。本專利技術(shù)的有益效果是：該采集器采用沖擊式懸梁臂結(jié)構(gòu)，增加了電能輸出時間。車輛行駛在減速帶上時，采集器內(nèi)的壓電材料將車輛的機械能轉(zhuǎn)換為電能，在車輛駛離減速帶后，懸梁臂處于帶阻尼的自由振動狀態(tài)，壓電材料繼續(xù)將自身的機械振動轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)電能的持續(xù)輸出。與其配套的采集電路通過控制和改變DC-DC開關(guān)變換器的開關(guān)周期和占空比，使其輸入阻抗能夠分別匹配壓電材料在受到?jīng)_擊期間和自由振動期間的阻抗，使壓電材料輸出的能量最大化。另外，當(dāng)沒有電能產(chǎn)生時，壓電能量采集電路進入極低功耗的休眠模式以節(jié)約能量，顯著提高了采集系統(tǒng)的采集效率。下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本專利技術(shù)作詳細說明。附圖說明圖1是本專利技術(shù)應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本專利技術(shù)應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器用采集電路的框圖。圖3是本專利技術(shù)應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器中沖擊桿和懸梁臂的位移以及壓電材料的輸出電壓波形圖。圖4是圖2的實施例圖。圖5是圖2中開關(guān)信號控制器的信號波形。圖中，1-懸梁臂底座，2-懸梁臂，3-沖擊桿架，4-沖擊桿，5-第一彈簧，6-彈簧基座，7-第二彈簧，8-壓電材料，9-金屬薄片。具體實施方式以下實施例參照圖1～5。本專利技術(shù)應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器包括懸梁臂底座1、懸梁臂2、沖擊桿架3、沖擊桿4、第一彈簧5本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器，其特征在于：包括懸梁臂底座(1)、懸梁臂(2)、沖擊桿架(3)、沖擊桿(4)、第一彈簧(5)、彈簧基座(6)、第二彈簧(7)、壓電材料(8)和金屬薄片(9)；懸梁臂底座(1)表面的一端固定有懸梁臂(2)，另一端與第一彈簧(5)相連；懸梁臂(2)由壓電材料(8)和金屬薄片(9)組成，懸梁臂(2)的一端固定在懸梁臂底座(1)的表面，另一端懸空；沖擊桿架(3)的一面固定在減速帶頂部的正下面，另一面分別連接第一彈簧(5)、沖擊桿(4)和第二彈簧(7)；沖擊桿(4)一端固定在沖擊桿架(3)上，另一端懸浮于懸梁臂(2)的自由端的垂直上方；第一彈簧(5)安置于懸梁臂底座(1)和沖擊桿架(3)之間；第二彈簧(7)安置于彈簧基座(6)和沖擊桿架(3)之間；當(dāng)車輛到達減速帶的頂部時，車輪壓迫減速帶導(dǎo)致沖擊桿架(3)和沖擊桿(4)下降；當(dāng)沖擊桿(4)接觸到懸梁臂(2)后，懸梁臂(2)隨沖擊桿(4)運動，此時壓電材料(8)開始輸出電壓；隨著車輛的繼續(xù)行駛，沖擊桿(4)持續(xù)下降，當(dāng)車輪壓力達到最大時沖擊桿(4)到達最低點，此時壓電材料(8)輸出峰值電壓；當(dāng)車輪駛離減速帶時，由于壓力減小，彈簧的彈力迫使沖擊桿(4)恢復(fù)到初始位置，此時沖擊桿(4)與懸梁臂(2)不接觸，懸梁臂(2)將從最大位移處開始做帶阻尼的自由振動。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器，其特征在于：包括懸梁臂底座(1)、懸梁臂(2)、沖擊桿架(3)、沖擊桿(4)、第一彈簧(5)、彈簧基座(6)、第二彈簧(7)、壓電材料(8)和金屬薄片(9)；懸梁臂底座(1)表面的一端固定有懸梁臂(2)，另一端與第一彈簧(5)相連；懸梁臂(2)由壓電材料(8)和金屬薄片(9)組成，懸梁臂(2)的一端固定在懸梁臂底座(1)的表面，另一端懸空；沖擊桿架(3)的一面固定在減速帶頂部的正下面，另一面分別連接第一彈簧(5)、沖擊桿(4)和第二彈簧(7)；沖擊桿(4)一端固定在沖擊桿架(3)上，另一端懸浮于懸梁臂(2)的自由端的垂直上方；第一彈簧(5)安置于懸梁臂底座(1)和沖擊桿架(3)之間；第二彈簧(7)安置于彈簧基座(6)和沖擊桿架(3)之間；當(dāng)車輛到達減速帶的頂部時，車輪壓迫減速帶導(dǎo)致沖擊桿架(3)和沖擊桿(4)下降；當(dāng)沖擊桿(4)接觸到懸梁臂(2)后，懸梁臂(2)隨沖擊桿(4)運動，此時壓電材料(8)開始輸出電壓；隨著車輛的繼續(xù)行駛，沖擊桿(4)持續(xù)下降，當(dāng)車輪壓力達到最大時沖擊桿(4)到達最低點，此時壓電材料(8)輸出峰值電壓；當(dāng)車輪駛離減速帶時，由于壓力減小，彈簧的彈力迫使沖擊桿(4)恢復(fù)到初始位置，此時沖擊桿(4)與懸梁臂(2)不接觸，懸梁臂(2)將從最大位移處開始做帶阻尼的自由振動。2.一種權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于道路減速帶的壓電能量采集器用采集電路，其特征在于：包括全橋整流器、DC-DC開關(guān)變換器和開關(guān)信號控制器；全橋整流器的輸入端與壓電材料的輸出...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳楠，魏廷存，鄭鉉俊，成臺鉉，河?xùn)|三，
申請(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61