基于损耗能量收集的电动汽车压电发电装置 的设计与功能分析.pdf

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1、第１２期总第２７０期农业科技与装备Ｎo．１２ＴotａlＮo．２７０２０１６年１２月ＡｇｒｉｃｕltｕｒａlＳｃｉｅnｃｅ＆ＴｅｃhnoloｇyａnｄＥｑｕｉｐｍｅntＤｅｃ．２０１６基于损耗能量收集的电动汽车压电发电装置的设计与功能分析１１*１１１２王志东，齐德江，刘乐乐，张煜，于心意，郝仕臣（１．沈阳工程学院电力学院，沈阳１１０１３６；２．沈阳工程学院自动化学院，沈阳１１０１３６）摘要：以车载电源为动力的电动汽车是未来发展的必然趋势。为实现利用压电材料进行损耗能量收集的目的，设计一种利用汽车行驶时对地的压力

2、和自身振动来驱动多片压电片发电的装置。该装置由瞬时电容器与压电片构成一套封闭的系统，通过电容器间的不断切换实现对压电片中电场能和应变场能进行充分收集，可提高电荷收集效率，同时也为压电环境能量采集技术提供新思路。关键词：压电效应；发电装置；设计；功能中图分类号：TP２７７文献标识码：A文章编号：1６７４－11６1（２０1６）1２－００３６－０３压电材料是一种重要的功能材料，在航空航天、能源以及冶金化工工业和军事等领域有着广泛的应用。压电材料是指在受到外界应力作用时在两端面间出现电荷聚集现象的晶体材料。利用压电材

3、料的这一性质可实现机械能—电能的互相转换。电动汽车在行驶过程中伴随着巨大的能量消耗，对这些损耗能量收集再利用是提高电动车续航性能的主要方式，也是适应当前节能减排、保护环境的重要手段，有利于电动图１压电发电鞋Ｆiｇｕｒｅ１Ｐiｅｚoｅlｅｃｔｒiｃpoｗｅｒｇｅnｅｒaｔionｓhoｅｓ汽车的广泛推广和长远发展。１国内外研究现状每天已经能够产生５００ｋW·s（约０．1４度）的能量。１.１美国麻省理工学院的压电发电鞋在过去的十几年中，压电材料的研究与应用取得了重大的进展，这主要得益于材料制备工艺的成熟和对材料性能

4、与机理的深入研究。２０世纪末，美国麻省理工学院研究小组研发出一种将压电材料置于鞋底的压电发电装置（如图1所示），该装置利用人行走时对鞋底的压力，引起置于鞋底的压电片产生形变进而［1］发电，最终获得了1．８ｍW的平均输出功率。１.２日本研发的压电发电地板图２置于地板下的压电发电装置２００６年，日本将研制的压电发电装置置于人流量Ｆiｇｕｒｅ２Ｐiｅｚoｅlｅｃｔｒiｃpoｗｅｒｇｅnｅｒaｔiondｅｖiｃｅｕndｅｒｔhｅ密集的地铁检票口地板下（如图２所示），通过人行走ｆlooｒ在上面的压力发电，经过３ａ的改进

5、，２００８年发电地板２压电发电的原理收稿日期：２０1６－０８－1７压电材料能充分利用机械能—电能的转换效应基金项目：辽宁省教育厅一般项目（Ｌ２０１６０９）；沈阳市重点实产生电能，并将其存储起来。压电现象分为正压电效验室专项项目（Ｆ１６－０９１－１－００）应和逆压电效应。正压电效应是指当压电材料受外力作者简介：王志东（１９９４—），男，从事电气工程及其自动化方发生形变时，其内部电介质发生取向或位移极化，在面的研究工作。通信作者：齐德江（１９８０—），男，博士，副教授，从事电路、电磁内部出现大量的电偶极子，在压电

6、材料表面产生极化场等课程的教学与科研工作。电荷的现象（如图３所示）；逆压电效应与之相反，指２０１６年第１２期王志东等：基于损耗能量收集的电动汽车压电发电装置的设计与功能分析３７当压电材料受电场力作用时，其形状改变或表面电荷析，当其两极加载一定电压时，可视为电容器。压电材重新分布的现象（如图４所示）。料不仅有电容特性，同时还有正、逆压电效应，可以通过对压电材料的这一机电耦合特性对压电材料的原［３］理进行分析，并加以利用。为此，可进行如图３和图４所示压电材料机电耦合性能原理性试验。无外加电压和外力时，此时在其伸缩

7、方向的长度为Ｌ1。图３为外加力Ｆ时，压电材料在其伸缩方向上的变化，此时在其伸缩方向的长度为Ｌ２。图４为外加图３正压电效应Ｆiｇｕｒｅ３Ｄiｒｅｃｔpiｅｚoｅlｅｃｔｒiｃｅｆｆｅｃｔ电压Ｕ（即对压电陶瓷进行充电）时，由于压电陶瓷的逆压电效应，在其伸缩变形方向发生形变，形变后压电陶瓷长度为Ｌ３；在断开电源后的一段时间里，压电材料两端的电压在无负载时基本保持不变，当外接负载时会有缓慢下降趋势；最后压电材料由于两端放电而恢复形变，放电完毕后瞬间其长度为Ｌ４。此时Ｌ４并图４逆压电效应不等于初始长度Ｌ1。Ｆiｇｕｒｅ

8、４Inｖｅｒｓｅpiｅｚoｅlｅｃｔｒiｃｅｆｆｅｃｔ通过上述试验可以得出压电材料有机电耦合的３硬件系统设计性能，可通过压电方程进行理论分析。对于压电材料压电发电装置按其功能结构可分为电能产生、电来说，只考虑其力学、电学之间的相互作用，而不考虑能收集、电能转换、电能储存４个部分。设计的压电发其他方面的因素影响时，从力学参量和电学参量中各［４］电装置结构如图５所示。任选一组作为自变量和因变量，可组成下