基于損耗能量收集的電動汽車壓電發電裝置的設計與功能分析

王志東+齊德江+劉樂樂+張煜+于心意+郝仕臣

摘要：以車載電源為動力的電動汽車是未來發展的必然趨勢。為實現利用壓電材料進行損耗能量收集的目的，設計一種利用汽車行駛時對地的壓力和自身振動來驅動多片壓電片發電的裝置。該裝置由瞬時電容器與壓電片構成一套封閉的系統，通過電容器間的不斷切換實現對壓電片中電場能和應變場能進行充分收集，可提高電荷收集效率，同時也為壓電環境能量采集技術提供新思路。

關鍵詞：壓電效應；發電裝置；設計；功能

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0036-03

壓電材料是一種重要的功能材料，在航空航天、能源以及冶金化工工業和軍事等領域有著廣泛的應用。壓電材料是指在受到外界應力作用時在兩端面間出現電荷聚集現象的晶體材料。利用壓電材料的這一性質可實現機械能—電能的互相轉換。電動汽車在行駛過程中伴隨著巨大的能量消耗，對這些損耗能量收集再利用是提高電動車續航性能的主要方式，也是適應當前節能減排、保護環境的重要手段，有利于電動汽車的廣泛推廣和長遠發展。

1 國內外研究現狀

1.1 美國麻省理工學院的壓電發電鞋

在過去的十幾年中，壓電材料的研究與應用取得了重大的進展，這主要得益于材料制備工藝的成熟和對材料性能與機理的深入研究。20世紀末，美國麻省理工學院研究小組研發出一種將壓電材料置于鞋底的壓電發電裝置（如圖1所示），該裝置利用人行走時對鞋底的壓力，引起置于鞋底的壓電片產生形變進而發電，最終獲得了1.8 mW的平均輸出功率[1]。

1.2 日本研發的壓電發電地板

2006年，日本將研制的壓電發電裝置置于人流量密集的地鐵檢票口地板下（如圖2所示），通過人行走在上面的壓力發電，經過3 a的改進，2008年發電地板每天已經能夠產生500 kW·s（約0.14度）的能量。

2 壓電發電的原理

壓電材料能充分利用機械能—電能的轉換效應產生電能，并將其存儲起來。壓電現象分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指當壓電材料受外力發生形變時，其內部電介質發生取向或位移極化，在內部出現大量的電偶極子，在壓電材料表面產生極化電荷的現象（如圖3所示）；逆壓電效應與之相反，指當壓電材料受電場力作用時，其形狀改變或表面電荷重新分布的現象（如圖4所示）。

3 硬件系統設計

壓電發電裝置按其功能結構可分為電能產生、電能收集、電能轉換、電能儲存4個部分。設計的壓電發電裝置結構如圖5所示。

壓電發電裝置的具體功能實現如下：1） 電能產生部分。壓電片以彈性金屬片為襯托，采用多層懸臂梁式的安裝方法[2]，安裝在汽車輪胎的內壁上，多個懸臂梁結構單元并聯后由導線引出。2） 電能收集部分。由于需要頻繁地充放電，可由電容器來完成。3） 電能處理部分。由AC-DC轉換器、穩壓器、電壓放大器等依次相連構成，其中AC-DC轉換器將壓電片由于振動產生的交流電轉換為直流電，經穩壓器后使此時的直流電保持恒定，再經電壓放大器升壓后將電能充入電動汽車電池中。4） 電能儲存部分。利用電動汽車自帶電源，通過電池控制與管理系統控制由壓電片產生電能的儲存。

4 系統功能分析

壓電材料本身為絕緣物質，為簡化對問題的分析，當其兩極加載一定電壓時，可視為電容器。壓電材料不僅有電容特性，同時還有正、逆壓電效應，可以通過對壓電材料的這一機電耦合特性對壓電材料的原理進行分析，并加以利用[3]。為此，可進行如圖3和圖4所示壓電材料機電耦合性能原理性試驗。

無外加電壓和外力時，此時在其伸縮方向的長度為L1。圖3為外加力F時，壓電材料在其伸縮方向上的變化，此時在其伸縮方向的長度為L2。圖4為外加電壓U（即對壓電陶瓷進行充電）時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，在其伸縮變形方向發生形變，形變后壓電陶瓷長度為L3；在斷開電源后的一段時間里，壓電材料兩端的電壓在無負載時基本保持不變，當外接負載時會有緩慢下降趨勢；最后壓電材料由于兩端放電而恢復形變，放電完畢后瞬間其長度為L4。此時L4并不等于初始長度L1。

通過上述試驗可以得出壓電材料有機電耦合的性能，可通過壓電方程進行理論分析。對于壓電材料來說，只考慮其力學、電學之間的相互作用，而不考慮其他方面的因素影響時，從力學參量和電學參量中各任選一組作為自變量和因變量，可組成下列方程組[4]，即壓電方程：

式中：應力σ與電場強度E為自變量，應變ε與電位移D為因變量，即認為應變ε與電位移D的變化是由于應力σ與電場強度E的變化引起的；SE為短路彈性柔順系數；β為壓電常數。

由上述分析可得出如下結論：1） 壓電材料具有電容特性，能以電能的形式對外加激勵時產生的電荷進行儲存。2） 壓電材料具有機電耦合的特性。壓電材料所儲存的能量可分為電場能和應變場能，其中主要為電場能。電場能可進行瞬間回收利用，應變場能釋放緩慢，這與外接負荷和壓電材料本身的特性有關，能否對其完全回收主要與其釋放周期有關[4]。

5 結語

設計一種利用壓電材料收集電動汽車在行駛過程中損耗的能量的裝置，通過試驗分析并驗證了該裝置能量收集效率較高。目前，壓電材料已廣泛應用于化工、醫療、國防等領域，尤其在以經濟、環保、智能為目的的新能源電動汽車行業中，壓電發電裝置更展現出很好的應用前景，是電動汽車技術發展的前沿和重要方向，對于當前和未來發展都具有重大意義。

參考文獻

[1] 鐘正青.壓電式輪胎發電機的設計與實驗[D].重慶：重慶大學，2009.

[2] 許穎穎，龔俊杰，宋子玲，等.懸臂梁壓電發電裝置的實驗研究[J].機械工程與自動化，2012（1）：80-81.

[3] 孫亞飛，陳仁文，陳勇，等.壓電材料電荷能量回收技術研究[J].壓電與聲光，2001（1）：71-74.

[4] ALPER ERTURK，DANIEL J.INMAN.壓電能量收集（美）[M].舒海生，趙丹，史肖娜，譯.北京：國防工業出版社，2015.