項(xiàng)盛榮

（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢430212）

基于陶瓷壓電效應(yīng)的輪胎壓力發(fā)電系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

項(xiàng)盛榮

（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢430212）

將壓電陶瓷元件嵌入汽車輪胎中，利用陶瓷元件的正壓電效應(yīng)使汽車行駛時(shí)的無效機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，預(yù)先積聚存儲在超級電容中；再利用高效率的開關(guān)集成穩(wěn)壓器對電瓶進(jìn)行恒壓充電，將超級電容中的電能轉(zhuǎn)移到電瓶中。輪胎壓力發(fā)電系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)，要以提高發(fā)電單元機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率和減小電能傳輸損失為核心。

壓電陶瓷；輪胎壓力發(fā)電；模型設(shè)計(jì)；充電；電瓶

世界許多國家對壓電陶瓷發(fā)電作了大量的研究，并研制出了一些實(shí)用性的發(fā)電裝置，比如，日本公司在東京站利用人體踩踏壓電陶瓷元件發(fā)電，點(diǎn)亮了白熾燈；以色列技術(shù)研究院利用汽車碾壓路面中的壓電晶體來發(fā)電[1]等，但目前尚無人將壓電陶瓷安裝在輪胎中將汽車行駛時(shí)的無效機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。顯然，在石油能源極為珍貴的今天，利用汽車行駛時(shí)的無效機(jī)械能實(shí)現(xiàn)壓力發(fā)電有著極為重要的意義。文中設(shè)計(jì)的輪胎壓力發(fā)電系統(tǒng)，不但能將汽車行駛時(shí)的無效機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，還無需增加燃油損耗，易于實(shí)現(xiàn)，制造成本低，壽命長。

1 設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

輪胎壓力發(fā)電系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是，在不增加燃油耗能的前提下，借助壓電陶瓷材料的正壓電效應(yīng)，將汽車行駛過程中的無效機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，輔助汽車發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)對電瓶充電，將電能儲存電瓶中[2-3]。

2 輪胎壓力發(fā)電基本工作原理

將壓電陶瓷元件嵌入到汽車輪胎中，當(dāng)汽車行駛時(shí)，壓電陶瓷元件受到碾壓而產(chǎn)生電壓，將此電壓形成的交變感應(yīng)電流整流成直流電流對汽車電瓶充電，實(shí)現(xiàn)無效機(jī)械能的回收。

3 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)電單元模型設(shè)計(jì)

在汽車的每個(gè)輪胎上，沿圓周每隔一定的間距在同一切線平面里均勻地嵌入一組壓電陶瓷元件PZT；PZT組沿圓周的間距應(yīng)做到當(dāng)前一組PZT壓力剛好消失時(shí)，下一組PZT則剛好開始受壓，以既能保證充分利用輪胎的周長又能保證整個(gè)發(fā)電單元連續(xù)地對外輸出電壓；壓電陶瓷元件應(yīng)埋入輪胎內(nèi)靠近外表層處，要遠(yuǎn)離氣密層，確保行車安全。在輪胎同一切線面上，按壓電陶瓷元件機(jī)械串聯(lián)組成疊堆和電學(xué)并聯(lián)組成一組發(fā)電單元的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證每組發(fā)電單元輸出電壓足夠高、輸出電功率足夠大[4]。每個(gè)疊堆應(yīng)安裝在凹形墊槽里，凹形墊槽應(yīng)通過金屬支架固定并嵌入輪胎中。為了使輪胎具有足夠大的摩擦系數(shù)，也為了使車載壓力能較好地施加于壓電陶瓷元件上產(chǎn)生足夠高的輸出電壓，應(yīng)在疊堆的正上方安裝一個(gè)柔性適中的凸爪[5]。壓電陶瓷元件輸出電壓引線應(yīng)采用多股具有柔性的絞絲線，以防輪胎反復(fù)變形造成引線折斷。壓電陶瓷元件在輪胎中的位置布局與連接情況如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷元件位置布局與連接情況

為了使機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率高，壓電陶瓷元件采用應(yīng)力方向與極化方向相同的33工作模式，選用的壓電陶瓷元件壓電電壓常數(shù)要高、壓電應(yīng)變常數(shù)要大[6-7]。為了在有限的輪胎觸地面積范圍內(nèi)獲得盡可能多的感應(yīng)電荷，產(chǎn)生盡可能大的感應(yīng)電流，壓電陶瓷元件外形應(yīng)選擇正方形。壓電陶瓷片厚度越大，面積越小，產(chǎn)生的電壓就越高[8]，因此，壓電陶瓷元件的厚度應(yīng)做到產(chǎn)生的輸出電壓足夠高，同時(shí)又不被機(jī)械力破壞；其面積應(yīng)保證汽車正常行駛時(shí)電路工作頻率足夠高，產(chǎn)生的容抗足夠小，電路輸出電流足夠大。

3.2 電能采集與儲存模型設(shè)計(jì)

1）電路組成

由于對汽車電瓶需要用直流充電，因此要將發(fā)電單元產(chǎn)生的交流電能存儲在電瓶里，就必須將交流變成直流，為此用整流電路將交流電整流成直流電。對汽車電瓶的充電方法有恒壓充電、恒流充電和脈沖快速充電3種方法，由于汽車發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)采用的是恒壓方法對電瓶充電，為了能和汽車發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)一起同時(shí)對電瓶充電，也考慮到恒壓充電電路既簡單，電能轉(zhuǎn)換過程損失又最少，本發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)采用恒壓方法對電瓶充電。由于壓電陶瓷元件輸出的電能很小，直接對電瓶充電難以滿足充電要求[9-11]，為此利用超級電容具有高比功率、充放電快、充放電使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)[12]，將壓電陶瓷元件輸出的電能預(yù)先存儲在超級電容里，當(dāng)超級電容里的電能達(dá)到一定值時(shí)，再將其電能轉(zhuǎn)存到汽車電瓶中，這樣設(shè)計(jì)也有利于減少電能傳輸過程中的損失。為了既減少電能損失又能實(shí)現(xiàn)恒壓充電，恒壓充電電路采用升壓式DC-DC開關(guān)集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)之。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，電能采集與儲存電路組成如圖2所示，它由整流單元、超級電容電能預(yù)存單元、升壓式恒壓充電單元組成。

圖2 電能采集與儲存電路組成方框圖

2）各功能單元電路設(shè)計(jì)

為了將發(fā)電單元產(chǎn)生的脈沖電壓輸出，也為了使同一輪胎里所有發(fā)電單元組共用一個(gè)輸出耦合電路，還為了解決機(jī)械方面的動靜結(jié)合問題，發(fā)電單元采用兩個(gè)動片旋轉(zhuǎn)式可調(diào)電容與橋式整流電路連接。動片旋轉(zhuǎn)式可調(diào)電容的結(jié)構(gòu)及布局如圖3（a）所示，它是由不斷更換的動片和固定不變的靜片組成。動片則由沿輪胎傳動軸圓周均勻分布的兩組金屬膜片組成，每一組金屬膜片為動片旋轉(zhuǎn)式可調(diào)電容的一個(gè)動片，同一軸向的動片分別與其相應(yīng)的發(fā)電單元組的兩個(gè)電極相連；一對固定在車輪傳動軸正上方的金屬膜片，分別為兩個(gè)動片旋轉(zhuǎn)式可調(diào)電容的靜片，通過導(dǎo)線分別與橋式整流電路的輸入端相連。在滿足動片旋轉(zhuǎn)必需空間的前提下，動靜片的間距應(yīng)盡量減小。為了使壓電陶瓷元件產(chǎn)生的電能輸出效率高，動靜片間形成的耦合電容應(yīng)越大越好，為此，動片的布局應(yīng)保證與其相連的壓電陶瓷元件在受到最大正壓力時(shí)，動片恰好旋轉(zhuǎn)到靜片的正下方。圖3（b）為壓電陶瓷元件受力最大、動片恰好旋轉(zhuǎn)到靜片正下方時(shí)，發(fā)電單元組及動片旋轉(zhuǎn)式可調(diào)電容的等效電路。

所有發(fā)電單元的橋式整流電路輸出端采用并聯(lián)方式，共同向超級電容Cd充電，如圖4所示。整流二極管選擇最高反向工作比發(fā)電組單元產(chǎn)生的最高電壓高出30%～40%、最大整流電流大于對電瓶最大充電電流1.2倍的二極管即可。

圖3 發(fā)電單元輸出電壓連接方式

圖4 電瓶充電電路

為了消除壓電陶瓷元件產(chǎn)生的瞬間尖峰電壓對后面所接恒壓充電電路的影響，先對整流輸出的電壓進(jìn)行濾波，然后再對超級電容充電，如圖4所示，圖中C1為濾波電容，Cd為超級電容。濾波電容C1的大小既要消除壓電陶瓷元件產(chǎn)生的尖峰電壓，又要盡可能多地承受壓電陶瓷元件產(chǎn)生的電壓；其耐壓值應(yīng)大于電路工作時(shí)產(chǎn)生的最高電壓的 1.2倍。超級電容容量的大小應(yīng)既要充分吸收壓電陶瓷元件產(chǎn)生的電能，又要保證后面所接充電閾值電路導(dǎo)通后、恒壓充電電路在進(jìn)行電能傳輸時(shí)效率最高。

為了減小恒壓充電電路在進(jìn)行電能傳輸時(shí)的電能損耗，在恒壓充電電路前設(shè)置了充電閾值電路。該電路只有當(dāng)超級電容儲能達(dá)到某值、使恒壓充電電路效率最高時(shí)，才允許向恒壓充電電路提供電能。充電閾值電路由單向可控硅SCR和穩(wěn)壓二極管D17組成，如圖5所示。其中穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值應(yīng)能確保恒壓充電電路在此電壓開始工作時(shí)電能傳輸效率最高，其額定功率應(yīng)保證穩(wěn)壓二極管被擊穿導(dǎo)通后不會損壞；單向可控硅SCR的額定工作電流應(yīng)大于集成開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575HVT-12 V的最大輸入電流，觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)滿足穩(wěn)壓二極管D17導(dǎo)通后單向可控硅SCR不會損壞。

圖5 恒壓充電電路

恒壓充電電路芯片的選擇，應(yīng)根據(jù)電瓶的端電壓及容量大小確定。為了延長電瓶的壽命，對電瓶的平均充電電流要求不超過其容量的10%?？紤]到本發(fā)電系統(tǒng)對電瓶只起輔助充電的作用，也考慮到汽車發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)對電瓶充電的電流較大，如果增加過量的輔助充電電流，就會使電瓶充電總電流過大而縮短其壽命[13-14]，因此選擇輔助充電電流接近1 A較為合適。圖 5選擇了集成開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2575HVT-12V對12 V電瓶充電。二極管D18應(yīng)選擇肖特基二極管，其額定電流應(yīng)大于最大負(fù)載電流的1.2倍；如果考慮到負(fù)載有可能短路，二極管的額定電流應(yīng)大于LM2575HVT-12V的最大輸出電流，此處D18選擇1N5819。輸入電容應(yīng)大于47 μF，并盡量靠近LM2575HVT-12V的輸入端，以消除輸入線產(chǎn)生的電感；輸出電容推薦使用電容量為100～470 μF；輸入、輸出電容的耐壓值應(yīng)分別大于穩(wěn)壓芯片輸入、輸出電壓最大值的1.5～2倍。儲能電感首先根據(jù)最大輸入電壓、輸出電壓、占空比、頻率以及最大負(fù)載電流等參數(shù)計(jì)算出理論電感量，然后通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試出恒壓充電電路效率最高時(shí)的實(shí)際電感量[15]。

為了防止輪胎壓力發(fā)電系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)之間相互放電引起電能的不必要浪費(fèi)，在兩發(fā)電系統(tǒng)的輸出端分別加上二極管D19和D20，二極管的額定電流應(yīng)大于各自發(fā)電系統(tǒng)輸出電流最大值的1.2倍，以確保二極管不被熱擊穿。

4 系統(tǒng)模型工作過程

4.1 發(fā)電單元工作過程

在汽車行駛過程中，嵌在輪胎中的每個(gè)壓電陶瓷元件所受到的壓力從零增加到最大值，再由最大值減小到零，其兩端產(chǎn)生的電荷亦隨著從零到最大值，再從最大值減小到零。在靜電感應(yīng)的作用下，動片旋轉(zhuǎn)式可調(diào)電容的動片上感應(yīng)電荷也按這一規(guī)律變化，當(dāng)動片旋轉(zhuǎn)到靜片的下方時(shí)，靜片上也產(chǎn)生感應(yīng)電荷，此感應(yīng)電荷就在電路中形成了感應(yīng)交變電流，并流入橋式整流電路。

4.2 電能采集與儲存單元工作過程

發(fā)電單元產(chǎn)生的交變電流經(jīng)橋式整流電路整流，電容C1濾波，對超級電容Cd充電，將電能存儲在超級電容中。車速越高，則壓電陶瓷元件兩端電荷變化越快，在電路中形成的感應(yīng)電流越大，給超級電容充電的電流也就越大。圖6為其中一個(gè)發(fā)電組單元電能的產(chǎn)生、采集與預(yù)存儲工作過程。

如圖5所示，隨著超級電容儲能的增加，其端電壓逐漸上升，當(dāng)其端電壓上升到穩(wěn)壓二極管D17的擊穿電壓時(shí)，單向可控硅SCR開始導(dǎo)通，恒壓充電電路開始工作，輸出穩(wěn)定電壓。該電壓經(jīng)二極管D19對電瓶充電，將超級電容中的電能轉(zhuǎn)移到電瓶中。隨著超級電容電能的轉(zhuǎn)移，其端電壓逐漸下降，流過單向可控硅的電流也隨著減小，當(dāng)電流小于可控硅維持電流時(shí)，可控硅自行關(guān)斷，恒壓充電電路停止工作。之后超級電容再次預(yù)儲能，為下一個(gè)工作周期作好準(zhǔn)備。

圖6 電能采集與儲存工作過程

5 結(jié)束語

選擇機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率高的壓電陶瓷元件、充分利用輪胎的有限面積合理嵌入壓電陶瓷元件、確定壓電陶瓷元件最佳幾何與電學(xué)參數(shù)、給壓電陶瓷元件提供最大正壓力是發(fā)電單元模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；將交流變成直流、提高電能傳輸效率和實(shí)行恒壓充電是電能采集與儲存的關(guān)鍵。

盡管目前陶瓷壓力發(fā)電效率低，但因本輪胎壓力發(fā)電系統(tǒng)利用的是汽車本身的無效機(jī)械能作為能源，不需要增加汽車燃油損耗，而且收集起來的總電能也十分可觀，因此如果實(shí)現(xiàn)本發(fā)電系統(tǒng)，將具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本壓力發(fā)電系統(tǒng)只是原理性設(shè)計(jì)，要將該模型變成實(shí)用產(chǎn)品，還需要精細(xì)設(shè)計(jì)，反復(fù)試驗(yàn)。

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Model design of tire pressure power generation system based on ceramic piezoelectric effect

XIANG Sheng-rong
（Changjiang Engineering Vocational College，Wuhan 430212，China）

the piezoelectric ceramic element is embedded in the automobile tire，the mechanical energy of the motor is converted into electrical energy by the positive piezoelectric effect of the ceramic element，and the electric energy of the super capacitor is transferred to the battery by the high efficiency of the switch integrated voltage regulator.The model design of tire pressure power generation system should be based on the improvement of the mechanical and electrical energy conversion efficiency and the loss of power transmission.

piezoelectric ceramics；tire pressure power generation；model design；charging；battery

TNU461.8

：A

：1674-6236（2017）02-0097-04

2016-01-25稿件編號：201601228

項(xiàng)盛榮（1961—），男，湖北武漢人，副教授。研究方向：高職教育、電子技術(shù)。