基于壓電效應的汽車節能座椅設計

姚君霞

（西安汽車科技職業學院 710038)

0 引言

隨著社會發展需要，節能綠色技術和環保新型材料得到廣泛的應用[1]，在汽車系統中也不例外。其中大量新型壓電材料的出現進一步促進了壓電技術的快速發展。目前，關于振動壓電發電技術研究日漸受到重視，包括在人流密集區利用人體踩壓地面引起的振動發電、利用自然環境因素（氣流、洋流等）引起的振動發電等[2]，這種發電技術因其綠色環保而廣泛應用。

在汽車設計中，汽車整體結構的性能不僅決定了汽車行駛安全性，也關系乘客乘坐的舒適性。人們對汽車的乘坐舒適性要求越來越高，特別是對汽車座椅的設計要求也逐漸提高。本文設計的基于壓電效應的汽車節能座椅，主要是利用汽車在行駛過程中產生的振動通過壓電元件發電并儲存，再利用儲存電能為汽車某些小功率元件供能或通過電熱元件轉化成熱能（為乘客腰部或者肩部加熱），實現了節能環保的目標。

1 設計方案

普通汽車座椅只考慮舒適性，并沒有利用其在行進過程中產生的振動機械能。本設計主要利用成熟的壓電陶瓷的壓電效應獲取電能，其中壓電效應實質是指，壓電元件在沿一定方向上受到外力的作用而產生的機械變形所引起內部極化，使得壓電元件兩端表面內聚集極性相反的正負電荷現象，其中電荷聚集的密度與施加外力的大小成正比[3]。單個壓電陶瓷元件兩端產生電壓的數學表達式為。其中U為單個壓電陶瓷元件兩端的電壓，d為壓電常數，C為單個壓電陶瓷元件的電容，F為壓電陶瓷元件所用外力。

由于目前壓電陶瓷單體所產生的電壓過小，因此可以將多個壓電陶瓷單體串聯在汽車座椅中形成一個可觀的發電體，發電體所加外力F由汽車行駛過程中，乘客跟隨汽車振動所產生的機械能提供。如此，本設計中汽車座椅的設計框圖如圖1所示。

當人體隨著汽車上下振動而振動時，汽車座椅底部的壓電陶瓷元件受到與地面垂直方向的作用力，由數個壓電陶瓷單體組成的壓電陶瓷發電單元兩端產生的電壓，就等于數倍的單個壓電陶瓷元件兩端的電壓。由于壓電陶瓷元件不能長時間儲存電能，所以該電能通過儲能裝置進行儲存，當達到一定功率后通過控制單元給汽車小功率用電器供電（如報警器等），也可以用電發熱元件給乘客背部加熱。這種節能汽車座椅可以減少汽車本身用電量，達到節能的目的。

2 電路設計

汽車行進過程中其振動幅度會隨著汽車所行駛的路面狀況及汽車實時的行駛工況等因素變化，因此由人體施加給汽車座椅壓電陶瓷發電組合單元的外力，也會隨著汽車振動幅度的大小而實時變化。所以此處輸出的電壓是交變電壓，并不能直接為汽車用電元件供能。此外，由于壓電陶瓷發電單元所輸出的功率較小，不能直接帶動發熱元件工作，需要將其用電池進行儲能，然后由控制單元進行電能的合理分配。這就需要設計專門的集整流電路、濾波電路、充電電路與控制電路等為一體的電路控制單元。

整流電路采用由4只二極管組成的全波整流電路，雖然由于該電路二極管正向電阻不為零而使得整流橋內阻不為零，存在部分損耗，但是該電路輸出的電壓較大、脈動較小，所以將其設計為采用全波整流電路。整流電路輸出電壓脈動較小，但是含有交流成分，還需利用濾波電路將脈動的直流電壓變為平滑的直流電壓，并由電池儲存該電能，為汽車小功率用電器供能。

由電池供能的用電元件是否工作，根據實際需要由控制單元控制其回路中的繼電器線圈是否通電，而控制用電元件的工作狀態。若需要發熱元件工作為乘客提供部分熱能，則由控制單元控制該回路中繼電器線圈通電，使回路中開關觸點閉合后電路接通，發熱元件開始工作。同理，控制單元也可以控制某些小功率汽車用電元件工作與否（圖2）。

3 結束語

利用壓電元件的壓電效應進行發電，是一種新型的綠色節能發電技術，幾乎能應用于存在振動機械能的所用場合。正是因為這種系統使用壽命長、維護簡單等優點，本文設計了能充分收集汽車行進過程中產生的機械能，并將其轉化為電能的汽車節能座椅。該節能座椅結構簡單、成本低且工作可靠性高，真正實現了節能環保的目的。

【參考文獻】

[1]周浩,許有熊,陳佩嘉.基于人體踏走的壓電發電裝置設計與分析[J].綠色科技,2017(6).

[2]許小勇,張學紅,劉樹林.壓電式振動發電研究與應用綜述[J].機電一體化,2010(3).

[3]陳曉林,劉紅俊.基于壓電效應的路面振動能量收集技術[J].機械設計與研究,2017,33(1).