[发明专利]一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，属于汽车能量利用领域。

背景技术

随着我国汽车保有量的剧增，汽车能源消耗不断增加，汽车能量的高效利用正成为人们关注的焦点。

发动机振动主要表现形式为外部振动。发动机外部振动主要是由于活塞往复运动产生的惯性力，以及曲柄回转运动产生的离心力引起的发动机整体的振动。发动机振动不仅会损伤内部零件，缩短自身寿命，还会导致输出功率下降、乘坐舒适性降低。

发动机外部振动的减振方式最常用的是发动机悬置系统，该系统能承受动力总成的重量和来自发动机扭矩的作用力，同时吸收路面的冲击和抑制发动机启动时的摇摆。常见的悬置系统有橡胶悬置、液压悬置、半主动和主动悬置。

压电材料是一种当压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，可实现机械振动和交流电的互相转换，且结构形式多样，体积节约空间，具有较高的能量密度、结构简单、易于系统集成，可将其用于发动机振动能量的回收。

虽然利用悬置系统能很好地减少发动机外部振动，但是这些振动能量大多是以热能的形式消散，没有得到充分的回收利用。当前许多研究利用压电材料收集汽车的振动能量，并将其转化为电能，既回收了能量，又增强了减振性能。例如，中国专利申请CN200910063679.8公开的“一种利用车辆行驶时的振动能进行发电的装置”，利用安装在车辆减振弹簧伸缩端的发电装置发电，但是所述方案需要安装较复杂的发电装置，并且能量转化率较低；中国专利申请201310023006.6公开的“一种汽车车身结构压电主被动混合抑振方法”，利用汽车车身壁板的振动结合控制算法实现车身结构的主被动混合控制，但是所述方案需要较复杂的控制系统，所需复合材料成本高，并且车身振动频率低，能量利用效果差；中国专利申请201520142879.3公开的“汽车悬架系统压电阻尼装置”，则利用压电板与弹簧振子构成力电耦合系统，将吸收的振动能量转化成电能加以存储，其充电电路主要由桥式整流电路、滤波电路，加上稳压电路组成。其作用是将压电俘能器上产生的交流电转化成直流电，并将电压加以限制后输出给蓄电池。但是，将压电俘能器安装与车架与车桥之间的悬架位置上的方式，由于悬架振动频率低，不能保证压电俘能器持续输出交变电流；而且，电路缺少保护，电路元件会由于瞬时电压过大而烧毁，或由于电压过小导致元件的利用率降低。

因此，现有研究存在以下缺点：

1、振动源振动频率低，汽车无效振动的能量转化率低，不能有效供给蓄电池充电。

2、压电俘能充电电路缺少保护措施，过大或过小的瞬时电压会造成电路元件的损坏，电路系统的安全性较差。

3、利用振动能量给汽车蓄电池充电的充电方式多采用直流充电，充电效率低，而且，电解质在电极附近堆积，对电极板有强烈的腐蚀作用，造成电极损坏，电池寿命降低。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，首先，采用压电俘能器收集发动机振动能量；然后，通过电路控制系统将交变电转换为直流电；最后，设置脉冲转化器将直流电变为输出频率稳定的脉冲电，利用正负脉冲充电的形式为汽车蓄电池充电，并在电路中设置保护电路，在检测电路输入电压的同时滤去高电压和过低电压，避免电路产生高热，实现对电路元件的保护。通过获取汽车行车过程中发动机的无效振动能量，高效、安全、稳定地为蓄电池充电。

本发明为解决所述技术问题采用如下技术方案：

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的结构特点是：

压电俘能器，用于收集汽车发动机的无效振动能量并转化为电能作为压电俘能器的输出电压；

充电保护电路，用于接收并检测来自所述压电俘能器的输出电压，滤除所述输出电压中的高电压和过低电压后产生交流输出信号，并输出至后续电路控制系统；

所述电路控制系统，用于接收来自所述充电保护电路的交流输出信号，经变压、整流、滤波和稳压以直流信号输出；

脉冲转化器，用于接收来自所述电路控制系统的直流信号，通过电压特性调整输出脉冲信号，以所述脉冲信号对汽车蓄电池进行充电。

本发明基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置的特点也在于：所述压电俘能器包括环形压电陶瓷和片形压电陶瓷，所述环形压电陶瓷安装在发动机前悬置系统中，所述片形压电陶瓷安装在发动机后悬置系统中；所述环形压电陶瓷和片形压电陶瓷是以压电陶瓷材料PZT为材质。