[发明专利]应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电能量采集器，特别是涉及一种应用于道路减速带的压电能量采集器。还涉及这种应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路。

背景技术

随着科学技术的快速发展，人类的生活质量得到不断提升。与此同时，能源危机和地球生态环境恶化日益加剧，节能减排和可再生能源成为当今全球性的热门课题。压电材料可将机械能转换成为电能，为产生绿色环保的可再生能源提供了有效途径。目前，在全球范围内汽车保有量持续增加，汽车不仅消耗了大量的石化能源，而且导致了严重的空气污染。收集车辆行驶过程中产生的动能和重力势能，并利用压电材料将其转化为电能加以利用，是提高能源使用效率的新思路。

文献1“授权公告号是CN203071838U的中国实用新型专利”公开了一种基于压电效应的减速带发电系统。该系统包括发电装置以及与发电装置依次连接的电压转换及稳定装置、储能装置。该发电装置包括基体支撑机构、压电装置、导向机构和密封机构、压电装置底座。该发电装置的工作原理是:当减速带受到汽车的压力时，基体支撑机构压迫压电装置变形并产生电能。但是该发电装置的缺点是，只有在车辆通过减速带的瞬间，对发电装置施加压力时才产生电能，而当车辆驶离减速带后就无能量输出，因此该装置产生电能的时间非常短暂，导致能量采集效率低。

文献2“Resistive impedance matching circuit for piezoelectric energy harvesting，Journal of Intelligent Material Systems and Structures,September 2010,Vol.21,pp.1293-1302”中提出了一种针对振动的压电能量采集电路实现方案。该电路根据阻抗匹配时可实现最大能量传输的原理，将DC-DC开关变换器的输入阻抗与压电材料的输出阻抗相匹配，提高了压电能量采集系统的采集效率。该电路结构简单，能量消耗低。但该电路方案的缺点是，由于DC-DC开关变换器的开关控制器只产生固定开关周期的方波信号，因此只适用于具有固定振动频率的压电采集系统。另外，该电路方案没有提出无能量输入时的处理方法。

发明内容

为了克服现有压电能量采集器采集效率低的不足，本发明提供一种应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路。该采集器采用冲击式悬梁臂结构，增加了电能输出时间。车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于道路减速带的压电能量采集器，其特点是包括悬梁臂底座1、悬梁臂2、冲击杆架3、冲击杆4、第一弹簧5、弹簧基座6、第二弹簧7、压电材料8和金属薄片9。悬梁臂底座1表面的一端固定有悬梁臂2，另一端与第一弹簧5相连；悬梁臂2由压电材料8和金属薄片9组成，悬梁臂2的一端固定在悬梁臂底座1的表面，另一端悬空；冲击杆架3的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧5、冲击杆4和第二弹簧7；冲击杆4一端固定在冲击杆架3上，另一端悬浮于悬梁臂2的自由端的垂直上方；第一弹簧5安置于悬梁臂底座1和冲击杆架3之间；第二弹簧7安置于弹簧基座6和冲击杆架3之间。当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架3和冲击杆4下降；当冲击杆4接触到悬梁臂2后，悬梁臂2随冲击杆4运动，此时压电材料8开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆4持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆4到达最低点，此时压电材料8输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆4恢复到初始位置，此时冲击杆4与悬梁臂2不接触，悬梁臂2将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动。

一种上述应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路，其特点是包括全桥整流器、DC-DC开关变换器和开关信号控制器。全桥整流器的输入端与压电材料的输出电极相连，压电材料的输出电压经过全桥整流器整流后输出给DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接DC-DC开关变换器的功率级开关管NM₁的栅极，用于控制DC-DC开关变换器实现对储能器件的充电。