基于损耗能量收集的电动汽车压电发电装置的设计与功能分析

王志东+齐德江+刘乐乐+张煜+于心意+郝仕臣

摘要：以车载电源为动力的电动汽车是未来发展的必然趋势。为实现利用压电材料进行损耗能量收集的目的，设计一种利用汽车行驶时对地的压力和自身振动来驱动多片压电片发电的装置。该装置由瞬时电容器与压电片构成一套封闭的系统，通过电容器间的不断切换实现对压电片中電场能和应变场能进行充分收集，可提高电荷收集效率，同时也为压电环境能量采集技术提供新思路。

关键词：压电效应；发电装置；设计；功能

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0036-03

压电材料是一种重要的功能材料，在航空航天、能源以及冶金化工工业和军事等领域有着广泛的应用。压电材料是指在受到外界应力作用时在两端面间出现电荷聚集现象的晶体材料。利用压电材料的这一性质可实现机械能—电能的互相转换。电动汽车在行驶过程中伴随着巨大的能量消耗，对这些损耗能量收集再利用是提高电动车续航性能的主要方式，也是适应当前节能减排、保护环境的重要手段，有利于电动汽车的广泛推广和长远发展。

1 国内外研究现状

1.1 美国麻省理工学院的压电发电鞋

在过去的十几年中，压电材料的研究与应用取得了重大的进展，这主要得益于材料制备工艺的成熟和对材料性能与机理的深入研究。20世纪末，美国麻省理工学院研究小组研发出一种将压电材料置于鞋底的压电发电装置（如图1所示），该装置利用人行走时对鞋底的压力，引起置于鞋底的压电片产生形变进而发电，最终获得了1.8 mW的平均输出功率[1]。

1.2 日本研发的压电发电地板

2006年，日本将研制的压电发电装置置于人流量密集的地铁检票口地板下（如图2所示），通过人行走在上面的压力发电，经过3 a的改进，2008年发电地板每天已经能够产生500 kW·s（约0.14度）的能量。

2 压电发电的原理

压电材料能充分利用机械能—电能的转换效应产生电能，并将其存储起来。压电现象分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指当压电材料受外力发生形变时，其内部电介质发生取向或位移极化，在内部出现大量的电偶极子，在压电材料表面产生极化电荷的现象（如图3所示）；逆压电效应与之相反，指当压电材料受电场力作用时，其形状改变或表面电荷重新分布的现象（如图4所示）。

3 硬件系统设计

压电发电装置按其功能结构可分为电能产生、电能收集、电能转换、电能储存4个部分。设计的压电发电装置结构如图5所示。

压电发电装置的具体功能实现如下：1） 电能产生部分。压电片以弹性金属片为衬托，采用多层悬臂梁式的安装方法[2]，安装在汽车轮胎的内壁上，多个悬臂梁结构单元并联后由导线引出。2） 电能收集部分。由于需要频繁地充放电，可由电容器来完成。3） 电能处理部分。由AC-DC转换器、稳压器、电压放大器等依次相连构成，其中AC-DC转换器将压电片由于振动产生的交流电转换为直流电，经稳压器后使此时的直流电保持恒定，再经电压放大器升压后将电能充入电动汽车电池中。4） 电能储存部分。利用电动汽车自带电源，通过电池控制与管理系统控制由压电片产生电能的储存。

4 系统功能分析

压电材料本身为绝缘物质，为简化对问题的分析，当其两极加载一定电压时，可视为电容器。压电材料不仅有电容特性，同时还有正、逆压电效应，可以通过对压电材料的这一机电耦合特性对压电材料的原理进行分析，并加以利用[3]。为此，可进行如图3和图4所示压电材料机电耦合性能原理性试验。

无外加电压和外力时，此时在其伸缩方向的长度为L1。图3为外加力F时，压电材料在其伸缩方向上的变化，此时在其伸缩方向的长度为L2。图4为外加电压U（即对压电陶瓷进行充电）时，由于压电陶瓷的逆压电效应，在其伸缩变形方向发生形变，形变后压电陶瓷长度为L3；在断开电源后的一段时间里，压电材料两端的电压在无负载时基本保持不变，当外接负载时会有缓慢下降趋势；最后压电材料由于两端放电而恢复形变，放电完毕后瞬间其长度为L4。此时L4并不等于初始长度L1。

通过上述试验可以得出压电材料有机电耦合的性能，可通过压电方程进行理论分析。对于压电材料来说，只考虑其力学、电学之间的相互作用，而不考虑其他方面的因素影响时，从力学参量和电学参量中各任选一组作为自变量和因变量，可组成下列方程组[4]，即压电方程：

式中：应力σ与电场强度E为自变量，应变ε与电位移D为因变量，即认为应变ε与电位移D的变化是由于应力σ与电场强度E的变化引起的；SE为短路弹性柔顺系数；β为压电常数。

由上述分析可得出如下结论：1） 压电材料具有电容特性，能以电能的形式对外加激励时产生的电荷进行储存。2） 压电材料具有机电耦合的特性。压电材料所储存的能量可分为电场能和应变场能，其中主要为电场能。电场能可进行瞬间回收利用，应变场能释放缓慢，这与外接负荷和压电材料本身的特性有关，能否对其完全回收主要与其释放周期有关[4]。

5 结语

设计一种利用压电材料收集电动汽车在行驶过程中损耗的能量的装置，通过试验分析并验证了该装置能量收集效率较高。目前，压电材料已广泛应用于化工、医疗、国防等领域，尤其在以经济、环保、智能为目的的新能源电动汽车行业中，压电发电装置更展现出很好的应用前景，是电动汽车技术发展的前沿和重要方向，对于当前和未来发展都具有重大意义。

参考文献

[1] 钟正青.压电式轮胎发电机的设计与实验[D].重庆：重庆大学，2009.

[2] 许颖颖，龚俊杰，宋子玲，等.悬臂梁压电发电装置的实验研究[J].机械工程与自动化，2012（1）：80-81.

[3] 孙亚飞，陈仁文，陈勇，等.压电材料电荷能量回收技术研究[J].压电与声光，2001（1）：71-74.

[4] ALPER ERTURK，DANIEL J.INMAN.压电能量收集（美）[M].舒海生，赵丹，史肖娜，译.北京：国防工业出版社，2015.