基于損耗能量收集的電動(dòng)汽車壓電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與功能分析

王志東+齊德江+劉樂樂+張煜+于心意+郝仕臣

摘要：以車載電源為動(dòng)力的電動(dòng)汽車是未來發(fā)展的必然趨勢。為實(shí)現(xiàn)利用壓電材料進(jìn)行損耗能量收集的目的，設(shè)計(jì)一種利用汽車行駛時(shí)對地的壓力和自身振動(dòng)來驅(qū)動(dòng)多片壓電片發(fā)電的裝置。該裝置由瞬時(shí)電容器與壓電片構(gòu)成一套封閉的系統(tǒng)，通過電容器間的不斷切換實(shí)現(xiàn)對壓電片中電場能和應(yīng)變場能進(jìn)行充分收集，可提高電荷收集效率，同時(shí)也為壓電環(huán)境能量采集技術(shù)提供新思路。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng)；發(fā)電裝置；設(shè)計(jì)；功能

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0036-03

壓電材料是一種重要的功能材料，在航空航天、能源以及冶金化工工業(yè)和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。壓電材料是指在受到外界應(yīng)力作用時(shí)在兩端面間出現(xiàn)電荷聚集現(xiàn)象的晶體材料。利用壓電材料的這一性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能—電能的互相轉(zhuǎn)換。電動(dòng)汽車在行駛過程中伴隨著巨大的能量消耗，對這些損耗能量收集再利用是提高電動(dòng)車?yán)m(xù)航性能的主要方式，也是適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的重要手段，有利于電動(dòng)汽車的廣泛推廣和長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 美國麻省理工學(xué)院的壓電發(fā)電鞋

在過去的十幾年中，壓電材料的研究與應(yīng)用取得了重大的進(jìn)展，這主要得益于材料制備工藝的成熟和對材料性能與機(jī)理的深入研究。20世紀(jì)末，美國麻省理工學(xué)院研究小組研發(fā)出一種將壓電材料置于鞋底的壓電發(fā)電裝置（如圖1所示），該裝置利用人行走時(shí)對鞋底的壓力，引起置于鞋底的壓電片產(chǎn)生形變進(jìn)而發(fā)電，最終獲得了1.8 mW的平均輸出功率[1]。

1.2 日本研發(fā)的壓電發(fā)電地板

2006年，日本將研制的壓電發(fā)電裝置置于人流量密集的地鐵檢票口地板下（如圖2所示），通過人行走在上面的壓力發(fā)電，經(jīng)過3 a的改進(jìn)，2008年發(fā)電地板每天已經(jīng)能夠產(chǎn)生500 kW·s（約0.14度）的能量。

2 壓電發(fā)電的原理

壓電材料能充分利用機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生電能，并將其存儲(chǔ)起來。壓電現(xiàn)象分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電材料受外力發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部電介質(zhì)發(fā)生取向或位移極化，在內(nèi)部出現(xiàn)大量的電偶極子，在壓電材料表面產(chǎn)生極化電荷的現(xiàn)象（如圖3所示）；逆壓電效應(yīng)與之相反，指當(dāng)壓電材料受電場力作用時(shí)，其形狀改變或表面電荷重新分布的現(xiàn)象（如圖4所示）。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓電發(fā)電裝置按其功能結(jié)構(gòu)可分為電能產(chǎn)生、電能收集、電能轉(zhuǎn)換、電能儲(chǔ)存4個(gè)部分。設(shè)計(jì)的壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

壓電發(fā)電裝置的具體功能實(shí)現(xiàn)如下：1） 電能產(chǎn)生部分。壓電片以彈性金屬片為襯托，采用多層懸臂梁式的安裝方法[2]，安裝在汽車輪胎的內(nèi)壁上，多個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)單元并聯(lián)后由導(dǎo)線引出。2） 電能收集部分。由于需要頻繁地充放電，可由電容器來完成。3） 電能處理部分。由AC-DC轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、電壓放大器等依次相連構(gòu)成，其中AC-DC轉(zhuǎn)換器將壓電片由于振動(dòng)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)穩(wěn)壓器后使此時(shí)的直流電保持恒定，再經(jīng)電壓放大器升壓后將電能充入電動(dòng)汽車電池中。4） 電能儲(chǔ)存部分。利用電動(dòng)汽車自帶電源，通過電池控制與管理系統(tǒng)控制由壓電片產(chǎn)生電能的儲(chǔ)存。

4 系統(tǒng)功能分析

壓電材料本身為絕緣物質(zhì)，為簡化對問題的分析，當(dāng)其兩極加載一定電壓時(shí)，可視為電容器。壓電材料不僅有電容特性，同時(shí)還有正、逆壓電效應(yīng)，可以通過對壓電材料的這一機(jī)電耦合特性對壓電材料的原理進(jìn)行分析，并加以利用[3]。為此，可進(jìn)行如圖3和圖4所示壓電材料機(jī)電耦合性能原理性試驗(yàn)。

無外加電壓和外力時(shí)，此時(shí)在其伸縮方向的長度為L1。圖3為外加力F時(shí)，壓電材料在其伸縮方向上的變化，此時(shí)在其伸縮方向的長度為L2。圖4為外加電壓U（即對壓電陶瓷進(jìn)行充電）時(shí)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在其伸縮變形方向發(fā)生形變，形變后壓電陶瓷長度為L3；在斷開電源后的一段時(shí)間里，壓電材料兩端的電壓在無負(fù)載時(shí)基本保持不變，當(dāng)外接負(fù)載時(shí)會(huì)有緩慢下降趨勢；最后壓電材料由于兩端放電而恢復(fù)形變，放電完畢后瞬間其長度為L4。此時(shí)L4并不等于初始長度L1。

通過上述試驗(yàn)可以得出壓電材料有機(jī)電耦合的性能，可通過壓電方程進(jìn)行理論分析。對于壓電材料來說，只考慮其力學(xué)、電學(xué)之間的相互作用，而不考慮其他方面的因素影響時(shí)，從力學(xué)參量和電學(xué)參量中各任選一組作為自變量和因變量，可組成下列方程組[4]，即壓電方程：

式中：應(yīng)力σ與電場強(qiáng)度E為自變量，應(yīng)變?chǔ)排c電位移D為因變量，即認(rèn)為應(yīng)變?chǔ)排c電位移D的變化是由于應(yīng)力σ與電場強(qiáng)度E的變化引起的；SE為短路彈性柔順系數(shù)；β為壓電常數(shù)。

由上述分析可得出如下結(jié)論：1） 壓電材料具有電容特性，能以電能的形式對外加激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的電荷進(jìn)行儲(chǔ)存。2） 壓電材料具有機(jī)電耦合的特性。壓電材料所儲(chǔ)存的能量可分為電場能和應(yīng)變場能，其中主要為電場能。電場能可進(jìn)行瞬間回收利用，應(yīng)變場能釋放緩慢，這與外接負(fù)荷和壓電材料本身的特性有關(guān)，能否對其完全回收主要與其釋放周期有關(guān)[4]。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)一種利用壓電材料收集電動(dòng)汽車在行駛過程中損耗的能量的裝置，通過試驗(yàn)分析并驗(yàn)證了該裝置能量收集效率較高。目前，壓電材料已廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域，尤其在以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、智能為目的的新能源電動(dòng)汽車行業(yè)中，壓電發(fā)電裝置更展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景，是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展的前沿和重要方向，對于當(dāng)前和未來發(fā)展都具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘正青.壓電式輪胎發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[2] 許穎穎，龔俊杰，宋子玲，等.懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（1）：80-81.

[3] 孫亞飛，陳仁文，陳勇，等.壓電材料電荷能量回收技術(shù)研究[J].壓電與聲光，2001（1）：71-74.

[4] ALPER ERTURK，DANIEL J.INMAN.壓電能量收集（美）[M].舒海生，趙丹，史肖娜，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2015.