气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器

提出了利用气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器实现气体能量的转化,以满足低功耗传感器的自供能需求。通过压电单晶片将气缸内部高压气体能量转化为电能,设计了阵列式盘型压电俘能器的样机结构;结合气缸的正常工作状态,分析了压电阵列的工作原理并进行了相应的实验。理论分析显示:盘型压电阵列具有较高的电荷量与良好的电容性,适合对具有交变载荷的高压气体能量进行收集。采用外径为12 mm、厚度为0.2 mm的压电单晶片及缸径为63mm、行程为150mm的气缸制作了实验样机,利用气动组件模拟气体环境搭建了测试系统。分别调节压力、周期、流量等参数进行了实验测试。结果表明:在交变的气动高压激励下,阵列式盘型压电俘能器可较好地收集交变高压气体载荷能量,其最佳匹配电阻为600kΩ,最大的瞬时功率为1 052μW,输出功率可满足低功耗传感器的能量需求。     

气体动载荷下压电振子能量转化特性实验研究

针对当前利用化学电池为传感器供能具有的使用时间短及污染环境等问题，提出了一种可应用于气动系统中气体动载荷环境的能量转化与收集装置。利用压电材料的正压电效应对压电振子发电机理进行分析，分析结果表明，在气体动载荷激励下输出电能与压力变化量呈正比。仿真分析了压电振子所在容腔的内部流场变化，并分析了腔内压力及压力变化量随时间的变化规律。结合理论研究与仿真分析设计并制作了一种压电振子能量转化实验样机，搭建了实验测试系统。以动态气体载荷为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明随着距离的增加，压电振子的输出电压逐渐下降；随着流量的增加峰值电压增加，当周期为1.2 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最大的输出电压为79.60 V。     

压电阵列双相能量收集器的有限元分析模型

文中基于压电阵列双相能量收集器的压电效应和磁–力–电耦合效应,提出了一种宽频的能量收集结构。该结构可同时俘获环境中广泛存在的机械振动和磁场能量,从而实现低功耗电子设备的自供电。利用有限元软件COMSOL建立了压电阵列双相能量收集器的几何模型并进行数值仿真,分析了不同载荷以及组份材料参数对俘能器性能的影响。研究结果表明,压电阵列双相能量收集器能同时有效地收集机械振动和磁场能量,且各单元串联时可提高输出电压幅值、拓宽共振频带。通过调节材料参数,可以灵活调节俘能器的谐振频率,从而获得最佳电能输出。文中的仿真结果为高性能俘能器的设计提供了一定的理论指导。     

胎压报警器用压电发电装置的设计及实验研究

为了实现轮胎压力报警器(TPMS)的无源化,解决传统电池寿命有限、不易替换等问题,提出了利用压电材料将汽车行驶过程中轮胎的机械能转化为电能,为TPMS的监测模块供电。制作了一种能用于轮胎压力报警器(TPMS)的压电发电装置,设计了相应的能量转换及存储电路,并对该系统进行了实验测试。这种压电发电装置具有结构简单、不发热、无污染、不受电磁干扰、易于加工制作和结构小型化等优点。     

压电振动发电机的研究现状与发展趋势

综述了国内外压电振动发电机的技术发展,阐述了压电发电机工作原理,系统介绍了压电材料与压电换能元件结构形式,重点报道了能量转换接口电路及共振频率调整策略的研究现状。举例说明了压电振动发电机的应用领域,并针对目前研究中存在的问题对压电振动发电机发展趋势进行了预测。随着低功耗微电子技术与微机械加工技术的发展,压电振动发电机在各种MEMS产品、无线传感器网络及低功耗电子设备中的应用将逐渐实用化、普及化。     

气动系统换向冲击压电俘能特性

为充分利用气动系统管路产生的压力冲击,提出了一种基于压电材料的正压电效应压电俘能器,搭建了基于该俘能器的实验测试系统,研究了气体压力、换向时间对该俘能器俘能特性的影响。结果表明,在气体动载荷激励下,压电俘能器内的压电片产生了弯曲形变,俘能电压与形变变化密切相关;气体压力值增大时,峰值电压、峰值功率升高;而随着换向时间的改变,峰值电压、峰值功率未有显著变化。     

基于压电振动俘能装置的采煤机滚筒扭矩检测系统

为实现采煤机滚筒扭矩的实时精确检测,提出了一种基于压电振动俘能装置自给供电的滚筒扭矩检测系统。压电振动俘能装置将采煤机工作过程中Y、Z方向上产生的振动能量有效地转换为电能,实现对检测系统无线应变采集模块和销轴传感器的长期、稳定供电,避免了电池更换需要反复拆卸的难题。现场实验测试表明,扭矩检测系统自供电性能稳定,系统能够实现采煤机滚筒Y、Z方向上所受载荷的实时、精确检测,从而准确推算出滚筒的扭矩,系统具有较高的检验精度和可靠性。     

压电式摩擦振动能量收集的试验研究与仿真分析

针对机械系统中普遍存在的摩擦振动现象,结合试验分析和数值模拟的方法,提出采用压电材料进行摩擦振动能量收集的新思路.本研究搭建了一种既能产生摩擦振动,同时又能利用压电材料将振动能量转化为电能的试验装置,摩擦学试验结果验证了利用压电材料实现摩擦振动能量收集的可行性.利用有限元软件ABAQUS对试验过程进行模拟,首先采用复特征值分析法对压电式能量收集器的响应特性进行分析,结果表明摩擦系统在法向和切向上出现的不稳定振动模态是实现摩擦振动能量收集的重要因素.采用瞬时动态分析法对摩擦系统的动力学响应进行模拟,结果表明瞬态分析能够从时域上很好地模拟试验过程,较大的法向载荷导致系统产生较强的摩擦振动,从而导致压电材料变形位移增大,进而输出较高的电压;摩擦系统存在一定的临界速度,使得系统能够产生最强的摩擦振动能量,并对外输出最大电压信号;进一步地,本研究建立起摩擦与压电相互耦合的二自由度数学模型,验证了摩擦振动能量收集的可行性,并定性分析了法向载荷和运动速度对系统响应的影响.以上研究结果能为实现摩擦振动的能量收集提供理论依据.     

密闭环境气流冲击式压电阵列发电性能实验研究

为实现高压密闭环境的气体能量收集并提高能量转化效率,提出了一种气流冲击式压电阵列发电机。利用压电材料的正压电效应并结合压电本构方程对压电发电机理进行分析,结果表明在高压气体环境下可采用盘型压电片进行气体能量收集,且压电片外圆周需进行机械夹紧固定。设计并制作了一种压电发电阵列实验样机,搭建了实验测试系统。以高压气体为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明,峰值电压与流量成正比,随着周期的增加峰值电压有小幅度的增长趋势,压电阵列在电学并联的情况下具有最佳的功率输出性能,当周期为0.8 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最佳的输出功率是0.99 mW。     

基于915 MHz射频能量采集系统设计

随着超低功耗集成电子技术的发展,利用日益丰富的射频能量给低功耗设备供电成为了可能。设计并实现了一种基于915 MHz特定射频源的射频能量采集系统,研究了系统充电速率与射频源距离和位置的关系,分析了漏电特性对系统性能的影响。研究结果表明,该系统可在有效范围内输出稳定的3 V直流电压,可对低功耗传感器节点有效供电。     

基于PMNT压电陶瓷的能量采集技术

能源危机越来越受到全世界各国的关注,人们试图采用各种技术将自然能量采集并转化为有效电能。本文利用压电陶瓷所具有的正压电效应,将脚踏机械能有效采集并转化为电能。考虑到压电陶瓷产生高电压低电流的特点,本文主要解决了电流不稳定,持续供电时间短的问题。同时从实际工程应用出发,设计了成本低能量采集与转化的发电系统,可加装在鞋底,供小型随身电子装置使用。也可装在行人及车辆较多的交通要道,获得广泛的应用。     

Intelligent vehicle electrical power supply system with central coordinated protection

The current research of vehicle electrical power supply system mainly focuses on electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). The vehicle electrical power supply system used in traditional fuel vehicles is rather simple and imperfect;electrical/electronic devices (EEDs) applied in vehicles are usually directly connected with the vehicle’s battery. With increasing numbers of EEDs being applied in traditional fuel vehicles, vehicle electrical power supply systems should be optimized and improved so that they can work more safely and more effectively. In this paper, a new vehicle electrical power supply system for traditional fuel vehicles, which accounts for all electrical/electronic devices and complex work conditions, is proposed based on a smart electrical/electronic device (SEED) system. Working as an independent intelligent electrical power supply network, the proposed system is isolated from the electrical control module and communication network, and access to the vehicle system is made through a bus interface. This results in a clean controller power supply with no electromagnetic interference. A new practical battery state of charge (SoC) estimation method is also proposed to achieve more accurate SoC estimation for lead-acid batteries in traditional fuel vehicles so that the intelligent power system can monitor the status of the battery for an over-current state in each power channel. Optimized protection methods are also used to ensure power supply safety. Experiments and tests on a traditional fuel vehicle are performed, and the results reveal that the battery SoC is calculated quickly and sufficiently accurately for battery over-discharge protection. Over-current protection is achieved, and the entire vehicle’s power utilization is optimized. For traditional fuel vehicles, the proposed vehicle electrical power supply system is comprehensive and has a unified system architecture, enhancing system reliability and security.     

纯电动汽车800 V高电压复合电源能量分配策略研究

基于逻辑门限控制策略,将动力电池和带有理想开关的DC/DC变换器串联,并将串联后的系统与超级电容并联,形成新型复合电源系统,利用低成本小容量超级电容,增大充放电电压,减少系统线路上的能量损耗.同时,采用Matlab/Simulink仿真平台,搭建控制策略模型,结合基于ADVISOR2002建立的复合电源纯电动汽车模型,...     

锂离子动力电池能量密度特性研究进展

动力电池作为新能源纯电动汽车的动力源,其能量密度与整车的续驶里程及安全性等密切相关,而锂离子电池具有高能量密度和长寿命等特点,是当前新能源汽车动力电池的主流选择。基于锂离子电池发展史和我国第1～48批《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》中2000余款纯电动乘用车的锂离子动力电池能量密度数据,系统研究了锂离子动力电池能量密度演变趋势,回顾了我国锂离子动力电池能量密度的提升历程及其对推动新能源汽车发展起到的良好作用。在此基础上,从电极材料、电池工艺和成组结构等3个方面,剖析了锂离子动力电池能量密度提升技术方案的优势与不足;并从电池能量密度和安全性的关联性出发,总结了高能量密度电池在设计、制造和使用等全生命周期中的安全技术,展望了锂离子动力电池未来的发展趋势,为新能源汽车行业未来的健康发展提供参考。     

压电振动能量捕获装置研究

为了解决无线传感器节点的供电问题,搭建了基于压电复合材料的悬臂梁压电振子振动发电试验平台,利用压电材料的压电效应,将机械振动能转换为电能,达到了取代干电池供电的目的     

风向自适应型涡激振动压电俘能器的试验研究

风能在自然界中是一种储量丰富、可持续利用的清洁能源。利用压电俘能器将风能转换为电能代替传统化学电池为低功耗电子设备持续供电已经获得了国内外学术和工业领域的认可。针对自然环境中风场的风向和速度时变特点,提出一种新颖的风向自适应型涡激振动压电俘能器。本俘能器可以根据风向的变化,自主调节迎风角度,从而使得俘能器能够在不同方向来风激励时拥有良好的输出性能。其主要由两个L型压电俘能梁、轴承底座、旋转固定座、导向翼等部分组成。通过搭建的小型风洞测试系统,对俘能器样机进行了测试和分析：受不同方向来风激励时,俘能器的输出功率绝对积分面积的平均相对偏差不大于6.1%;俘能器的风向自适应开启状态相对关闭状态,两个压电俘能梁的输出功率绝对积分面积平均值分别提升了468.2%和492.3%。自适应型压电俘能器的研究结果对提高俘能器的环境适应能力和增强输出性能有良好的参考价值。     

铁电材料滞回能量捕获能力分析

为解决微机电系统的供电问题,将基于力电耦合智能结构的滞回能量捕获技术应用到微能源技术中。首先对已有的基于压电材料的能量捕获技术展开了分析,介绍了压电材料的发电机理以及铁电材料的优点和自发极化特性,提出了一种将铁电材料用于能量捕获的方法;然后,利用力电耦合能量捕获实验台,对铁电和压电结构进行了能量捕获实验。实验及研究结果表明:铁电材料及压电材料皆可满足一定的供电要求,但就实验所用两种材料而言,铁电材料的供电能力比压电材料要高。     

磁力调频压电电磁复合发电设计与实验

开展了基于环境振动发电作为微电源弥补传统化学电池供能缺陷的研究。基于非线性磁力调频开发了低宽频振动能采集压电电磁复合发电系统。介绍了发电装置工作原理;利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真分析了压电和电磁发电的输出特性;最后,搭建了压电电磁复合宽频发电装置实验测试系统,测试了发电系统在磁力自调过程中的输出特性。实验结果显示:复合发电系统在谐振频率60Hz时输出开路电压峰值为5.8V,高于压电系统(5.5V)和电磁系统(410mV)独立发电的开路电压峰值。施加磁力拓宽装置后,当压电悬臂梁沿竖直方向上下移动0~15mm时,系统适应谐振频带拓宽为45~76Hz;悬臂梁沿水平方向平移0~30mm时,谐振频带拓宽为51~70 Hz。结果表明仿真分析与实验测试结果吻合很好。该宽频带能量采集技术可用于低频振动环境的能量采集,可在频变环境中为微型低功耗系统提供低电能。