基于路面壓力發(fā)電的無線充放電系統(tǒng)

周睿 寧炳新 謝梅

摘 要：隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，當(dāng)今人們對電力資源的需求與日俱增，如何高效地利用綠色資源現(xiàn)已引起了各專家學(xué)者的關(guān)注。本系統(tǒng)根據(jù)壓電陶瓷片的工作機(jī)理和磁耦合諧振式無線電傳播技術(shù)，采用水平間隔堆疊式并聯(lián)方式連接的壓電陶瓷片和磁耦合諧振電路，將路面上未被利用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并對電動汽車進(jìn)行無線充電。這一系統(tǒng)的深入研究進(jìn)一步推廣了新型能源，達(dá)到減少化石能源消耗的目的，符合綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷片;磁耦合諧振;諧振線圈;無線充放電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.126

1 背景分析

隨著全球礦物燃料日益枯竭、環(huán)境污染日趨加劇，綠色能源的高效利用已經(jīng)成為當(dāng)今社會普遍關(guān)注的問題。在這樣的社會情況下，壓力能等未被利用的機(jī)械能的開發(fā)與利用隨之涌現(xiàn)。在道路服役期間內(nèi)，車輛的每次負(fù)載作用都會產(chǎn)生動能，再轉(zhuǎn)化成路面的熱能再消散至路面或空氣中。因此，如何利用這部分被浪費(fèi)的能量目前已引起了科研界的熱議。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要目的在于實(shí)現(xiàn)路面上未被利用的機(jī)械能的有效采集、轉(zhuǎn)換和利用，并結(jié)合無線充電技術(shù)，使得汽車在行進(jìn)過程中產(chǎn)生機(jī)械能的同時(shí)還能對車載蓄電池進(jìn)行充電。

2.1 壓電發(fā)電模塊

壓電發(fā)電模塊試按照上述思路進(jìn)行模塊分析與設(shè)計(jì)。對比市面上各種壓電材料的發(fā)電性能及強(qiáng)度等相關(guān)性能，本系統(tǒng)試采用高介電常數(shù)、高壓電強(qiáng)度、高抗壓強(qiáng)度的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片作為核心壓電材料。而經(jīng)過比較與分析，本設(shè)計(jì)采用矩形的壓電振子，工作在LE振動模態(tài)、采用水平間隔堆疊式并聯(lián)方式，外界激勵(lì)為強(qiáng)制振動進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)汽車在路面上行駛的特點(diǎn)，本系統(tǒng)通過將大量壓電振子并聯(lián)嵌入到道路中，構(gòu)成壓電發(fā)電系統(tǒng)的輸出單元，為后級電路提供能量的輸出。

由于壓電陶瓷片的面積小和汽車的通過時(shí)間短，汽車輪胎通過壓電傳感器所施加的負(fù)荷可以簡化為瞬時(shí)沖擊載荷。 當(dāng)汽車輪胎壓過壓電傳感器時(shí)，壓電元件上的力先增加然后減小，并且可以在短時(shí)間內(nèi)完成一次加載和卸載。 通過利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將一次載荷部分做功轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⑵涫占屠谩?由此可知，大量軸載作用能累積相當(dāng)大的能量，這也證明了系統(tǒng)的可行性。

易知，當(dāng)壓電振子受到正弦激勵(lì)時(shí)，其電流輸出也為交變正弦信號。這一結(jié)論為能量收集電路即磁耦合諧振無線充電技術(shù)的設(shè)計(jì)提供了理論支撐。對壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并對汽車行進(jìn)過程中產(chǎn)生的壓力進(jìn)行模擬，得到圖2數(shù)據(jù)。分析可知：汽車行進(jìn)產(chǎn)生的機(jī)械能類似于削掉負(fù)半周的正弦波，則經(jīng)過壓電振子結(jié)構(gòu)后能轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的交變正弦電流信號，經(jīng)功率放大器后傳給下一級。

2.2 磁耦合諧振無線充電模塊

磁耦合諧振式無線電傳輸技術(shù)的原理來自于自然界的共振，引發(fā)共鳴。無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端采用具有相同或相近固有頻率的諧振線圈，能量就可以通過電磁場傳遞到接收裝置中，實(shí)現(xiàn)高效的無線電能傳輸。

具體流程：由壓電發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻交流電信號，經(jīng)過功率放大轉(zhuǎn)化為適合無線傳輸?shù)母哳l交流電，再通過補(bǔ)償電路輸入至發(fā)射線圈中。由于無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端采用具有相同或相近固有頻率的諧振線圈，因而能夠在兩者之間形成共振磁場，實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。之后，接收線圈獲取的能量再通過補(bǔ)償、整流和濾波，形成穩(wěn)定的直流電，最終匯入汽車蓄電池中以供日常行駛所需。

設(shè)計(jì)充電線圈時(shí)需要考慮的因素：線圈的傳輸功率和效率是影響本系統(tǒng)性能的關(guān)鍵性因素，其結(jié)構(gòu)直接決定整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。

線圈輸出功率計(jì)算公式：。

公式中的參數(shù)說明：M--線圈的互感，Ip--發(fā)射線圈上流過的電流值，Is--接收線圈上流過的電流值，--諧振頻率。

在分析影響線圈傳輸效率的因素時(shí)，要考慮線圈的耦合系數(shù)k和品質(zhì)因數(shù)Q。這一點(diǎn)可以從以下最大傳輸效率的求取公式看出。

最大傳輸效率：。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）新能源的利用方式：系統(tǒng)將汽車每次對路面荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)變能及動能轉(zhuǎn)化并利用起來，這一做法具有循環(huán)可再生的特點(diǎn)和一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。它不僅減少了路面損壞的風(fēng)險(xiǎn)，還進(jìn)一步推廣了新型能源，符合綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

（2）無線充放電的實(shí)現(xiàn)：無線充放電系統(tǒng)無需電纜作為傳播媒介，利用磁耦合諧振的工作原理使兩個(gè)共振的線圈之間發(fā)生高效率的能量交換。相較而言，其有效地規(guī)避了有線充電存在的種種安全隱患，在實(shí)際生活中更加方便快捷。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對利用新能源產(chǎn)生電能提出了新的設(shè)想，通過壓電陶瓷片將汽車自身對地面產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成可供使用的電能，用無線充電的方式為汽車充電。這一設(shè)想不僅減少了化石能源的消耗，也緩解了環(huán)境壓力，將為綠色中國的建成做出巨大貢獻(xiàn)！