基于陶瓷壓電效應的輪胎壓力發電系統模型設計

項盛榮

（長江工程職業技術學院 湖北 武漢430212）

基于陶瓷壓電效應的輪胎壓力發電系統模型設計

項盛榮

（長江工程職業技術學院 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使汽車行駛時的無效機械能轉換成電能，預先積聚存儲在超級電容中；再利用高效率的開關集成穩壓器對電瓶進行恒壓充電，將超級電容中的電能轉移到電瓶中。輪胎壓力發電系統模型設計，要以提高發電單元機電能量轉換效率和減小電能傳輸損失為核心。

壓電陶瓷；輪胎壓力發電；模型設計；充電；電瓶

世界許多國家對壓電陶瓷發電作了大量的研究，并研制出了一些實用性的發電裝置，比如，日本公司在東京站利用人體踩踏壓電陶瓷元件發電，點亮了白熾燈；以色列技術研究院利用汽車碾壓路面中的壓電晶體來發電[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的無效機械能轉換成電能。顯然，在石油能源極為珍貴的今天，利用汽車行駛時的無效機械能實現壓力發電有著極為重要的意義。文中設計的輪胎壓力發電系統，不但能將汽車行駛時的無效機械能轉換成電能，還無需增加燃油損耗，易于實現，制造成本低，壽命長。

1 設計指導思想

輪胎壓力發電系統模型設計的指導思想是，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，將汽車行駛過程中的無效機械能轉換成電能，輔助汽車發電機發電系統對電瓶充電，將電能儲存電瓶中[2-3]。

2 輪胎壓力發電基本工作原理

將壓電陶瓷元件嵌入到汽車輪胎中，當汽車行駛時，壓電陶瓷元件受到碾壓而產生電壓，將此電壓形成的交變感應電流整流成直流電流對汽車電瓶充電，實現無效機械能的回收。

3 系統模型設計

3.1 發電單元模型設計

在汽車的每個輪胎上，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組沿圓周的間距應做到當前一組PZT壓力剛好消失時，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發電單元連續地對外輸出電壓；壓電陶瓷元件應埋入輪胎內靠近外表層處，要遠離氣密層，確保行車安全。在輪胎同一切線面上，按壓電陶瓷元件機械串聯組成疊堆和電學并聯組成一組發電單元的方式進行設計，以保證每組發電單元輸出電壓足夠高、輸出電功率足夠大[4]。每個疊堆應安裝在凹形墊槽里，凹形墊槽應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，也為了使車載壓力能較好地施加于壓電陶瓷元件上產生足夠高的輸出電壓，應在疊堆的正上方安裝一個柔性適中的凸爪[5]。壓電陶瓷元件輸出電壓引線應采用多股具有柔性的絞絲線，以防輪胎反復變形造成引線折斷。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

為了使機電能量轉換效率高，壓電陶瓷元件采用應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要高、壓電應變常數要大[6-7]。為了在有限的輪胎觸地面積范圍內獲得盡可能多的感應電荷，產生盡可能大的感應電流，壓電陶瓷元件外形應選擇正方形。壓電陶瓷片厚度越大，面積越小，產生的電壓就越高[8]，因此，壓電陶瓷元件的厚度應做到產生的輸出電壓足夠高，同時又不被機械力破壞；其面積應保證汽車正常行駛時電路工作頻率足夠高，產生的容抗足夠小，電路輸出電流足夠大。

3.2 電能采集與儲存模型設計

1）電路組成

由于對汽車電瓶需要用直流充電，因此要將發電單元產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，由于汽車發電機發電系統采用的是恒壓方法對電瓶充電，為了能和汽車發電機發電系統一起同時對電瓶充電，也考慮到恒壓充電電路既簡單，電能轉換過程損失又最少，本發電系統應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點[12]，將壓電陶瓷元件輸出的電能預先存儲在超級電容里，當超級電容里的電能達到一定值時，再將其電能轉存到汽車電瓶中，這樣設計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現恒壓充電，恒壓充電電路采用升壓式DC-DC開關集成穩壓器實現之。根據以上設計思路，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）各功能單元電路設計

為了將發電單元產生的脈沖電壓輸出，也為了使同一輪胎里所有發電單元組共用一個輸出耦合電路，還為了解決機械方面的動靜結合問題，發電單元采用兩個動片旋轉式可調電容與橋式整流電路連接。動片旋轉式可調電容的結構及布局如圖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式可調電容的一個動片，同一軸向的動片分別與其相應的發電單元組的兩個電極相連；一對固定在車輪傳動軸正上方的金屬膜片，分別為兩個動片旋轉式可調電容的靜片，通過導線分別與橋式整流電路的輸入端相連。在滿足動片旋轉必需空間的前提下，動靜片的間距應盡量減小。為了使壓電陶瓷元件產生的電能輸出效率高，動靜片間形成的耦合電容應越大越好，為此，動片的布局應保證與其相連的壓電陶瓷元件在受到最大正壓力時，動片恰好旋轉到靜片的正下方。圖3（b）為壓電陶瓷元件受力最大、動片恰好旋轉到靜片正下方時，發電單元組及動片旋轉式可調電容的等效電路。

所有發電單元的橋式整流電路輸出端采用并聯方式，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電組單元產生的最高電壓高出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生的尖峰電壓，又要盡可能多地承受壓電陶瓷元件產生的電壓；其耐壓值應大于電路工作時產生的最高電壓的 1.2倍。超級電容容量的大小應既要充分吸收壓電陶瓷元件產生的電能，又要保證后面所接充電閾值電路導通后、恒壓充電電路在進行電能傳輸時效率最高。

為了減小恒壓充電電路在進行電能傳輸時的電能損耗，在恒壓充電電路前設置了充電閾值電路。該電路只有當超級電容儲能達到某值、使恒壓充電電路效率最高時，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和穩壓二極管D17組成，如圖5所示。其中穩壓二極管的穩壓值應能確保恒壓充電電路在此電壓開始工作時電能傳輸效率最高，其額定功率應保證穩壓二極管被擊穿導通后不會損壞；單向可控硅SCR的額定工作電流應大于集成開關穩壓器LM2575HVT-12 V的最大輸入電流，觸發電壓和觸發電流應滿足穩壓二極管D17導通后單向可控硅SCR不會損壞。

圖5 恒壓充電電路

恒壓充電電路芯片的選擇，應根據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]到本發電系統對電瓶只起輔助充電的作用，也考慮到汽車發電機發電系統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選擇了集成開關穩壓芯片LM2575HVT-12V對12 V電瓶充電。二極管D18應選擇肖特基二極管，其額定電流應大于最大負載電流的1.2倍；如果考慮到負載有可能短路，二極管的額定電流應大于LM2575HVT-12V的最大輸出電流，此處D18選擇1N5819。輸入電容應大于47 μF，并盡量靠近LM2575HVT-12V的輸入端，以消除輸入線產生的電感；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分別大于穩壓芯片輸入、輸出電壓最大值的1.5～2倍。儲能電感首先根據最大輸入電壓、輸出電壓、占空比、頻率以及最大負載電流等參數計算出理論電感量，然后通過實驗調試出恒壓充電電路效率最高時的實際電感量[15]。

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

4 系統模型工作過程

4.1 發電單元工作過程

在汽車行駛過程中，嵌在輪胎中的每個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。在靜電感應的作用下，動片旋轉式可調電容的動片上感應電荷也按這一規律變化，當動片旋轉到靜片的下方時，靜片上也產生感應電荷，此感應電荷就在電路中形成了感應交變電流，并流入橋式整流電路。

4.2 電能采集與儲存單元工作過程

發電單元產生的交變電流經橋式整流電路整流，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為其中一個發電組單元電能的產生、采集與預存儲工作過程。

如圖5所示，隨著超級電容儲能的增加，其端電壓逐漸上升，當其端電壓上升到穩壓二極管D17的擊穿電壓時，單向可控硅SCR開始導通，恒壓充電電路開始工作，輸出穩定電壓。該電壓經二極管D19對電瓶充電，將超級電容中的電能轉移到電瓶中。隨著超級電容電能的轉移，其端電壓逐漸下降，流過單向可控硅的電流也隨著減小，當電流小于可控硅維持電流時，可控硅自行關斷，恒壓充電電路停止工作。之后超級電容再次預儲能，為下一個工作周期作好準備。

圖6 電能采集與儲存工作過程

5 結束語

選擇機電能量轉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參數、給壓電陶瓷元件提供最大正壓力是發電單元模型設計的關鍵；將交流變成直流、提高電能傳輸效率和實行恒壓充電是電能采集與儲存的關鍵。

盡管目前陶瓷壓力發電效率低，但因本輪胎壓力發電系統利用的是汽車本身的無效機械能作為能源，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，因此如果實現本發電系統，將具有較好的經濟價值。本壓力發電系統只是原理性設計，要將該模型變成實用產品，還需要精細設計，反復試驗。

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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

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