基于压电发电的共享单车自发电和储能技术研究

艾文昊

（洛阳市第一高级中学，河南洛阳，471000）

0 引言

随着社会的不断进步，共享单车逐渐走进了我们的生活[1]。共享单车的卫星定位、联网开锁等功能需要电能的供应，即自发电技术。现在的共享单车普遍的电能供应方式是利用太阳能电池板供电和利用后轮旋转带动发电机供电。经分析，两种方式均存在缺陷。太阳能电池板供电对光照强度要求严格，阴雨天及夜晚无法产生足够强的电压，并且车筐内的小广告或骑行者杂物会遮挡并影响太阳能电池板的正常工作。后轮发电机供电的方案将发电机转轴与车轮或链条相连接，当自行车运动时发电机也随之产生电能，因此对环境要求比较低，但会增大骑行者的体力消耗，致使用户体验较差。因此，有必要对共享单车的自发电和储能技术做进一步研究。

共享单车、自行车的自发电技术已有一些研究。王博等[2]通过接触轮和自行车后轮之间的传动驱动交流发电机发电，具有拆卸方便的优点，但是会损耗一部分轮胎动能并增加骑行者体力消耗。陈宇侃等[3]提出在自行车上通过脚踏曲柄带动发电机工作进行发电的设想。梁壮壮等[4]设计了传动齿轮与链盘齿轮咬合传动，带动发电机发电。邓丽敏等[5]设计了齿轮系结合直流发电机将轮轴动能转化为电能。上述设计均存在损耗自行车动能的缺点，且安装需要额外占用空间。

针对现有研究的不足，本文拟利用智能材料—压电陶瓷来发电，通过收集和转化自行车在骑行中的能量损耗来产生电能，并根据压电发电的特点设计了多种方案以及自行车发电与供电电路，提高转化效率。

1 压电效应及压电振子设计

利用压电陶瓷把轮胎与地面接触挤压过程中所耗散的能量搜集起来，不仅能节省骑行者体力，而且对环境、骑行路况等要求不高。更可贵的是此设计是在自行车的现有结构上安装压电陶瓷，不需要再占用额外的空间，在空间利用上优于现有技术方案。其中，压电振子的设计是关键之一。由于压电陶瓷脆性较大，容易受到破坏，因此一般将压电陶瓷与金属材质的振动板粘结在一起应用，即为压电振子。又考虑到压电发电存在电流弱，功率小的问题，因此希望增大压电振子的振动幅度以提高转化效率。为了提高转化效率可以从几个方面着手，即选择合适的约束方式、结构，并尽量使谐振频率接近被收集振动的频率。

压电振子常见的约束方式包括固支、简支、悬臂。悬臂式约束相对另外两种约束方式，振子柔性最大，在相同情况下振动幅度最大，因此选用悬臂梁式结构。而压电振子结构包括单面压电陶瓷结构和双晶片结构等，双晶片结构相当于把两层单面压电陶瓷结构贴在一起，在相同条件的振动下其产生的电能是单面压电陶瓷结构的两倍，故选用双晶片结构。此外，由于双晶片结构包括两片压电陶瓷，还需要对连线方式进行设计，常见连线方式包括串联和并联。并联可以增加输出电流，对电压影响不大。考虑到蓄能快慢主要跟电流有关，因此采用并联的方式。再深入到压电陶瓷内部，还有一类多层压电陶瓷[6]，即把压电陶瓷做成多层结构，每一层很薄，这样可以显著增大各层的电场强度，增强压电效应，使压电振子能够发出更多的电能。

因此，设计中的核心原件—压电振子采用悬臂约束方式、双晶片结构及并联连线方式、压电陶瓷采用多层结构，保证压电振子的能量转化效率。

2 设计方案一

图1 方案一示意图

将压电振子与免充气实心轮胎相结合，在轮胎周向任一处位置设置压电振子。参考图1，压电振子平行于轮胎钢圈的切线放置，双晶片结构中两片压电陶瓷并联连接，通过导线经过辐条导至轮轴处，又通过电刷与车架上的整流、滤波、稳压电路连接。骑行中，轮胎每一位置周期性接触地面，当轮胎安装压电振子的部分与地面发生挤压时，压电振子发生弹性形变，当轮胎安装压电振子的部分与地面脱离接触后，压电振子恢复原形。每一次施加压力发生形变时，压电振子的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流，从而达到为蓄电池充电的目的。

3 设计方案二

方案一中仅在轮胎周向一处设置压电振子，每转一周压电振子仅工作一次，频率太低，能量转化效率也太低，因此考虑在轮胎周向布置多处压电振子，提高能量转化效率。参考图2，方案二将方案一中的压电振子数量增加为三个，均匀分布在轮周，压电振子工作频率提高三倍。工作原理也与方案一的相似。每个压电振子双晶片结构的引线方式也全部为并联，最终在轮轴处通过电刷与车架上的整流、滤波、稳压的电路连接。

图2 方案二示意图

4 设计方案三

图3 方案三示意图

前述设计方案二中仍存在着在骑行中压电振子振动频率太低的问题，若能在骑行速度不变的条件下提高振动频率，则可以大大提高输出的电能。因此，方案三在周向三处均布压电振子的基础上，对每一处压电振子增加了传动装置设计。参考图3，在压电振子一端设置传动齿轮组，当轮胎接触地面时A向上滑动，带动齿轮B旋转，齿轮B和齿轮C同轴固连，齿轮C与齿轮D为一对圆锥齿轮（图中省略了齿轮C和齿轮D的配合齿），因此带动齿轮D在垂直轴上转动，齿轮D上有很多凸起，每转一个小的角度即会与压电振子端部发生多次挤压，即打击双晶片结构的压电振子，产生电能。电能搜集电路仍采用二极管电桥整流电路。方案三中，所有齿轮的转轴均直接或间接固定在轮胎钢圈，图中为了更好展示各齿轮连接关系，没有画出齿轮转轴。

5 电路设计

方案一和方案三采用普通二极管电桥整流，电路如图4所示，二极整流电路的核心是4个整流二极管。利用全波整流电桥保证输出端电动势稳定，给蓄电池充电。但是波形波动较大，有必要进一步设计滤波、稳压电路。

图4 二极管全波整流电桥

方案二采用三相二极管整流电路，如图5所示，三相整流电路的核心是6个整流二极管组成的电桥。可以分析得到，任何电位情况下，输出端上端子总为高电位，输出端下端子总为低电位，即达到了整流效果，并可以较稳定的为蓄电池充电。但是，输出端电压仍存在较大波动，通过滤波电容和稳压芯片7805达到进一步的整流、稳压效果。

图5 三相二极管整流、滤波、稳压电路图

6 结论

本论文利用压电陶瓷进行自行车自发电和储能技术研究，具有节省骑行者体力，而且对环境、骑行路况等要求不高的优点。研究得出以下主要结论：

（1）将压电振子优选为悬臂约束方式、双晶片结构及并联连线方式、压电陶瓷采用多层结构。

（2）方案一提出在轮胎周向任一处位置设置压电振子的发电方案；方案二提出在轮胎周向均布的三处位置设置压电振子的发电方案，发电效率更高。方案三通过齿轮组来增大对压电振子的打击频率，进一步提升发电效率。

（3）设计了二极管全波整流电桥和三相二极管整流、滤波、稳压电路起到对压电发电起到整流、滤波、稳压作用。

此设计还有一些不足，例如额外增加了一些成本、对轮胎弹性有一些损失。