压电式轮胎发电机的设计与实验

论文摘要

随着无线传感网络深入到汽车的每个角落,如何为轮胎压力检测系统TPMS这类被嵌入到封闭环境或处于相对偏僻的传感器供电成为了难点。目前采用的化学电池存在着需要不断更换和充电的问题,即使是长效电池,更换也是一项费钱费力的事情。因此,研究能量采集装置收集环境中随处可见的热能或机械能,转换为无线传感网络可用的电能成为未来发展的趋势。压电式能量采集装置具有结构简单、能量密度高、能量获取渠道广泛的优点,非常适合于为长期工作的微型无线传感网络供能。因此,利用这个特点将其复合在轮胎内部,收集运行中的挠曲形变和振动等机械能为TPMS供电是行之有效的。本文围绕PZT压电换能器机理、结构设计和电能存储管理电路等展开研究,针对单个振子电荷量低的状况,提出了一种将阵列式压电振子与轮胎内表面复合的结构设计思想。建立了双层膜压电振子的有限元(FEA)模型,运用ANSYS 11.0对不同尺寸的振子进行静力和瞬态分析,得出设计振子尺寸的依据。为了得到较大的输出电流,设计了多振子电量耦合的电能存储管理电路。电路由专门设计的多路电量整流耦合集成器件、储能单元、滞回比较控制电路、电子开关等组成,可以将多路振子的输出电量汇聚在一起,在电子开关打开前无泄漏地对储能器进行充电,实现静态输出功率小,瞬态输出功率大的工作模式。实验表明该设计可以满足TPMS供电的要求。文章共分为六章,第一章介绍压电发电的国外研究现状,以及压电发电的多种实际应用。第二章对压电材料换能原理进行了数学理论分析,研究其机电等效模型。第三章建立相应的有限元模型,利用ANSYS对模型进行仿真模拟,并通过输出结果对模型尺寸进行优化设计。第四章介绍所设计的电源管理电路的各部分结构和功能,以及专门设计的多路电量整流耦合集成器件。第五章通过实验在周期为5Hz的固定形变激励下,对比两种PZT压电振子和PVDF薄膜的输出电压。并将振子组粘贴于轮胎内进行实验,得到初步的实验结果,将有助于压电式轮胎发电机设计的进一步优化。第六章对全文进行总结,并展望后续工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 压电式发电机的研究
• 1.2.2 发展趋势
• 1.3 论文的主要工作
• 2 压电换能的基础
• 2.1 压电材料概述
• 2.1.1 晶体的压电效应
• 2.1.2 压电材料的发展
• 2.1.3 压电陶瓷的压电性能参数
• 2.1.4 压电方程
• 2.2 压电发电机的工作模式
• 2.2.1 压电发电机的机电转换模式
• 2.2.2 压电发电机的等效电路模型
• 2.2.3 激励的形式
• 2.3 多片压电振子的连接方式
• 2.4 本章小结
• 3 压电发电系统的结构设计和仿真
• 3.1 系统结构设计
• 3.2 ANSYS 仿真
• 3.2.1 模型简化
• 3.2.2 材料属性
• 3.2.3 单元类型和网格划分
• 3.2.4 模态分析
• 3.2.5 瞬态分析
• 3.2.6 输出结果处理
• 3.3 模型尺寸优化
• 3.4 本章小结
• 4 电能存储管理电路设计
• 4.1 传统整流电路
• 4.2 管理电路的模块设计
• 4.2.1 多路电量整流耦合集成器件
• 4.2.2 储能电容的充电
• 4.2.3 滞回比较控制电路
• 4.2.4 电子开关
• 4.3 本章小结
• 5 实验与结果
• 5.1 压电片制作
• 5.2 实验结果
• 5.3 整流电路的实现
• 5.4 讨论
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 论文主要工作及结论
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录