[发明专利]一种路面压电能量采集系统及评价方法

权利要求书

1.一种路面压电能量采集系统，其特征在于，包括：

压电能量采集装置、能量管理电路及能量存储装置；

所述压电能量采集装置包括外部封装壳体、设置于所述封装壳体内的内部压电单元及整流电路，所述外部封装壳体包括顶板及与所述顶板连接的基座，所述顶板的上表面通过刻槽工艺开设有多个等间距的横向刻槽，所述基座的侧壁上开设有多个刻槽。

2.如权利要求1所述的一种路面压电能量采集系统，其特征在于，所述基座内开设有限位槽，所述限位槽开设有保护和固定压电单元、整流电路和导线的刻槽。

3.如权利要求2所述的一种路面压电能量采集系统，其特征在于，所述压电单元包括叠柱式单元、桥式单元或悬臂式单元，所述压电能量采集装置至少包括两个压电单元，多个压电单元之间并联连接，且多个所述压电单元对称设置于外部封装壳体内。

4.如权利要求3所述的一种路面压电能量采集系统，其特征在于，还包括压电换能器及与所述压电换能器电信号连接的全桥整流器，所述压电单元的材料采用压电陶瓷材料PZT-5H。

5.如权利要求4所述的一种路面压电能量采集系统，其特征在于，所述能量管理电路用于为DC-DC变换优化的标准能量收集电路；所述能量存储装置采用超级电容。

6.如权利要求5所述的一种用于评价路面压电能量采集系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据路面能量采集系统的路用性能要求获得压电能量采集装置的技术要求；

S2、通过将压电装置的技术要求分解为协同性能要求、机电转换性能要求、能量输出要求，构建出压电能量采集装置的力学性能、机电耦合性能和电学性能综合评价方法；

S3、通过材料测试系统和路面小型加速加载系统模拟车辆荷载，得到不同荷载条件下的力学和电学响应值；

S4、通过监测压电能量采集装置在模拟荷载条件下的应力、位移、电压、负载电阻，计算得到结构模量E、能量转换系数η、输出功率P_out(t)和电压衰减率n等评价指标。

7.如权利要求6所述的一种用于评价路面压电能量采集系统的方法，其特征在于，当采用能量转换系数η评价压电能量采集装置的机电转换性能时，依据电路基本原理和能量守恒定律，推导得到能量转换系数η、竖向荷载F(t)、竖向位移l、作用时间t、输出电压U(t)和负载电阻R_L之间的理论表达式为：

式中，Q₁为荷载做功；Q₂为装置输出能量。

8.如权利要求6所述的一种用于评价路面压电能量采集系统的方法，其特征在于，当采用结构模量评价压电能量采集装置的力学性能时，依据压电能量采集装置力学本构方程，推导得到结构模量E、竖向荷载F、竖向位移l、装置厚度H和装置承压面面积S之间的理论表达式为：

式中，F为加载频率为10Hz下的竖向荷载；l为装置竖向位移；S为压电装置受力面积，H为压电装置高度。

9.如权利要求6所述的一种用于评价路面压电能量采集系统的方法，其特征在于，当采用输出功率Pout(t)和电压衰减率n来评价压电能量采集装置的电学性能时，依据压电本构方程，通过竖向压应力T(t)、压电电压系数g₃₃、压电材料厚度h、负载电阻R_L、内部电阻R_p等参数，推导得到的压电能量采集装置的输出电压U_out(t)、输出功率P_out(t)和电压衰减率n的理论表达式为：

式中，Q为电荷；C为电容；g₃₃为压电电压常数；R_p为内部电阻；R_L为负载电阻；U₀和U’分别为电学疲劳测试前后峰值电压。