基于路面压力发电的无线充放电系统

周睿 宁炳新 谢梅

摘 要：随着现代社会的飞速发展，当今人们对电力资源的需求与日俱增，如何高效地利用绿色资源现已引起了各专家学者的关注。本系统根据压电陶瓷片的工作机理和磁耦合谐振式无线电传播技术，采用水平间隔堆叠式并联方式连接的压电陶瓷片和磁耦合谐振电路，将路面上未被利用的机械能转化为电能并对电动汽车进行无线充电。这一系统的深入研究进一步推广了新型能源，达到减少化石能源消耗的目的，符合绿色环保的设计理念。

关键词：压电陶瓷片;磁耦合谐振;谐振线圈;无线充放电

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

1 背景分析

随着全球矿物燃料日益枯竭、环境污染日趋加剧，绿色能源的高效利用已经成为当今社会普遍关注的问题。在这样的社会情况下，压力能等未被利用的机械能的开发与利用随之涌现。在道路服役期间内，车辆的每次负载作用都会产生动能，再转化成路面的热能再消散至路面或空气中。因此，如何利用这部分被浪费的能量目前已引起了科研界的热议。

2 系统设计

本系统主要目的在于实现路面上未被利用的机械能的有效采集、转换和利用，并结合无线充电技术，使得汽车在行进过程中产生机械能的同时还能对车载蓄电池进行充电。

2.1 压电发电模块

压电发电模块试按照上述思路进行模块分析与设计。对比市面上各种压电材料的发电性能及强度等相关性能，本系统試采用高介电常数、高压电强度、高抗压强度的锆钛酸铅压电陶瓷片作为核心压电材料。而经过比较与分析，本设计采用矩形的压电振子，工作在LE振动模态、采用水平间隔堆叠式并联方式，外界激励为强制振动进行试验。根据汽车在路面上行驶的特点，本系统通过将大量压电振子并联嵌入到道路中，构成压电发电系统的输出单元，为后级电路提供能量的输出。

由于压电陶瓷片的面积小和汽车的通过时间短，汽车轮胎通过压电传感器所施加的负荷可以简化为瞬时冲击载荷。 当汽车轮胎压过压电传感器时，压电元件上的力先增加然后减小，并且可以在短时间内完成一次加载和卸载。 通过利用压电材料的正压电效应，将一次载荷部分做功转变为电能，并将其收集和利用。 由此可知，大量轴载作用能累积相当大的能量，这也证明了系统的可行性。

易知，当压电振子受到正弦激励时，其电流输出也为交变正弦信号。这一结论为能量收集电路即磁耦合谐振无线充电技术的设计提供了理论支撑。对压力传感器采集的数据进行分析处理，并对汽车行进过程中产生的压力进行模拟，得到图2数据。分析可知：汽车行进产生的机械能类似于削掉负半周的正弦波，则经过压电振子结构后能转变为相应的交变正弦电流信号，经功率放大器后传给下一级。

2.2 磁耦合谐振无线充电模块

磁耦合谐振式无线电传输技术的原理来自于自然界的共振，引发共鸣。无线充电系统的发射端和接收端采用具有相同或相近固有频率的谐振线圈，能量就可以通过电磁场传递到接收装置中，实现高效的无线电能传输。

具体流程：由压电发电系统产生的低频交流电信号，经过功率放大转化为适合无线传输的高频交流电，再通过补偿电路输入至发射线圈中。由于无线充电系统的发射端和接收端采用具有相同或相近固有频率的谐振线圈，因而能够在两者之间形成共振磁场，实现电能的高效传输。之后，接收线圈获取的能量再通过补偿、整流和滤波，形成稳定的直流电，最终汇入汽车蓄电池中以供日常行驶所需。

设计充电线圈时需要考虑的因素：线圈的传输功率和效率是影响本系统性能的关键性因素，其结构直接决定整个系统能否正常工作。

线圈输出功率计算公式：。

公式中的参数说明：M--线圈的互感，Ip--发射线圈上流过的电流值，Is--接收线圈上流过的电流值，--谐振频率。

在分析影响线圈传输效率的因素时，要考虑线圈的耦合系数k和品质因数Q。这一点可以从以下最大传输效率的求取公式看出。

最大传输效率：。

3 创新点

（1）新能源的利用方式：系统将汽车每次对路面荷载作用产生的应变能及动能转化并利用起来，这一做法具有循环可再生的特点和一定的经济价值。它不仅减少了路面损坏的风险，还进一步推广了新型能源，符合绿色环保的设计理念。

（2）无线充放电的实现：无线充放电系统无需电缆作为传播媒介，利用磁耦合谐振的工作原理使两个共振的线圈之间发生高效率的能量交换。相较而言，其有效地规避了有线充电存在的种种安全隐患，在实际生活中更加方便快捷。

4 结束语

本系统针对利用新能源产生电能提出了新的设想，通过压电陶瓷片将汽车自身对地面产生的机械能转换成可供使用的电能，用无线充电的方式为汽车充电。这一设想不仅减少了化石能源的消耗，也缓解了环境压力，将为绿色中国的建成做出巨大贡献！