[发明专利]一种路面压电能量采集系统及评价方法

说明书

本发明公开了一种路面压电能量采集系统及评价方法，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。根据本发明，标准的压电装置的电学、力学和机电耦合性能评价方法，能够有效降低压电能量采集装置测试成本、缩短压单能量采集装置研发周期。

技术领域

本发明涉及里面能量采集的技术领域，特别涉及一种路面压电能量采集系统及评价方法。

背景技术

路面在服役期内承受千万次以上车辆轴载作用，产生海量机械能，这些外力做功最终以热能的形式耗散。而通过将压电能量采集系统与路面集成，能够将部分路面形变能转变为电能，实现机械能的回收利用。压电能量采集技术具备外界环境干扰小、全天候、能量密度高和无污染等技术优势，将是绿色道路、智能感知道路关键驱动技术。

随着压电能量采集技术的发展，研究者提出了桥式、钹式、叠柱式、悬臂式、双端固定式等换能器结构，并且对压电换能器的结构形式、材料组分、外部封装结构的几何设计、材料选择进行优化设计，并且采用室内缩尺实验、足尺实验、场地测试等尺度实验方法开展压电能量采集系统的性能测试与评估。

由于压电装置研发成本高、周期长，基于材料测试系统(MTS)、轮辙仪和小型加速加载测试(MMLS3)仍是主流研究方法。研究者通过采用压力机和小型加速加载试验设备测试压电能量采集装置的结构强度和电学疲劳性能；通过采用材料测试系统(MTS)、轮辙仪(Rut Instrument)等设备模拟车辆荷载，研究不同荷载条件下压电能量采集装置的力学性能和电学性能。但是，压电能量采集装置力学和电学性能测试与评价尚未有统一的测试和评价方法，不同测试工况和实验条件计算的能量转换效率和结构性能往往难以对比，限制了路面压电能量采集技术的发展。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种路面压电能量采集系统及评价方法，标准的压电装置的电学、力学和机电耦合性能评价方法，能够有效降低压电能量采集装置测试成本、缩短了压单能量采集装置研发周期。为了实现本发明的上述目的和其他优点，提供了一种路面压电能量采集系统，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。

优选的，所述基座内开设有限位槽，所述限位槽开设有用于保护和固定压电单元、整流电路和导线的刻槽。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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。

一种用于评价路面压电能量采集系统的方法，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；