一种基于汽车悬架的压电－电磁复合俘能装置的制作方法

本发明涉及一种复合俘能装置，特别涉及一种基于汽车悬架的压电－电磁复合俘能装置。

背景技术：

当前，随着能源危机的加剧，节能变得尤为重要，而振动能量的回收则是节能的一种行之有效的方法。目前，振动能量的回收，即振动能转化为电能主要有三种方式：(1)利用压电材料的压电效应将振动能转换为电能的压电式；(2)利用电磁感应现象将振动能转换为电能的电磁式；(3)利用电容原理将振动能转换为电能的静电式。三种振动俘能方式各有优缺点：压电俘能具有输出电压高、体积小、功率密度高、易于微型化等优点，但其带宽较窄，不适用于低频场合；电磁俘能具有阻抗大、输出电流大等优点，但其感生电压低，难以集成化；静电俘能具有易于和微电机系统(MEMS)集成的优点，然而其需要外加电压源和电荷源，无法独立俘能，应用有限。

车辆减震器能量耗散研究表明，回收悬架的振动能量对于实现汽车节能有重大的意义。而随着集成电路的发展，电子设备的体积越来越小，呈现出微型化的发展趋势，且其所需要的功率一般很小，电池虽然可以满足微型设备的需求，但是存在寿命有限、更换费用高并且难以微型化。假如可以将汽车悬架中的振动能量回收起来并将其给锂电池充电，则可以消除许多电池带来的不利影响。目前，已经出现了许多种俘能式的悬架系统，例如专利201610131174提出了一种基于被动悬架的电磁俘能系统，该系统由液压减振器、速度放大机构和电磁俘能机构组成，利用电磁感应原理将悬架的振动能量转换为电能储存起来。专利201410719587提出了一种用于汽车悬架的滚动压迫俘能装置，该装置是通过改变减震器的结构利用压电效应进行振动能与电能之间的能量转换。

仅仅使用某一种振动俘能方式总会存在其本有的缺点，可能会出现俘能效率低、俘能功率不足、谐振频率低等问题，即常规的俘能器只能工作在一阶模态，而多数情况下汽车悬架的振动频率是随机变化的，一旦振源频率远离俘能器的固有频率，俘能器的输出功率将急剧降低。因此在振动俘能领域，如何拓宽俘能器的工作频带、增加输出功率一直是重点关注的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决如何拓宽俘能器的工作频带、增加输出功率的问题而提供的一种基于汽车悬架的压电－电磁复合俘能装置。

本发明提供的基于汽车悬架的压电－电磁复合俘能装置的本体设在车架横梁和下摆臂之间，包括有上壳体、下壳体、弹性梁、第一刚性梁和第二刚性梁，其中上壳体固定在车架横梁的下部，弹性梁设在上壳体内，弹性梁的上端设有压电片，弹性梁的下端设有第一磁铁，下壳体固定在下摆臂的上部对应上壳体设置，第一刚性梁和第二刚性梁对称设在下壳体内，第二刚性梁的上端对应弹性梁第一磁铁的部位设有第二磁铁，第二磁铁的外端设有线圈，线圈的一侧固定在第二刚性梁上。

上壳体和下壳体之间设有防尘罩。

压电片采用双晶串联的形式固定在弹性梁上，其表面焊有电极并用导线引出作为压电片电极引线，分别输出电能的正负极。

弹性梁的右侧还设有回位弹簧，弹性梁的下端磁铁对应侧设有凸起，第一刚性梁的上端对应弹性梁设有凸起的部位设有数个凸块，弹性梁和第一刚性梁在进行上下运动过程中凸起和凸块能够发生碰撞促使弹性梁下端的第一磁铁左右运动，并在磁力的作用下第二刚性梁上的第二磁铁在线圈内同样进行左右运动，第二磁铁对应第二刚性梁的一侧设有压缩弹簧。

压电片设置的电极引线连接有第一电能转换电路，压电片产生的电能通过第一电能转换电路输出，第二刚性梁上端的线圈通过两端连接的导线连接有第二电能转换电路，弹性梁下端的磁铁在线圈内运动过程中产生的电能通过第二电能转换电路输出，第一电能转换电路和第二电能转换电路均与电能采集电路相连接，电能采集电路连接有电池或电容，第一电能转换电路和第二电能转换电路输出的电能通过电能采集电路储存到电池或电容内。

电能采集电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、开关以及MAX1811芯片，MAX1811芯片设置有SELV、SELI、GND、IN、BATT、GND、EN和八个引脚，输出电源的正极接MAX1811芯片的SELV、IN、EN引脚，输出电源的负极接MAX1811芯片的GND引脚，相串联的第一电阻和第一二极管与第一电容并联接在输出电源的正负极之间，IN和引脚之间并联第二电阻和第二二极管，BATT和GND引脚之间并联第二电容，开关设在输出电源正极和第三电阻之间，MAX1811芯片最大充电电压由引脚设置为4.1V和4.2V，最大误差为0.5％，对电池的充电电流通过逻辑控制电路设置为100mA或500mA，第一二极管是电源指示，第二二极管是充电指示，灯亮表示正在充电，灯灭表示充电结束。

本发明的工作原理：

当汽车在路面行驶过程中，路面的振动通过轮胎传递到汽车悬架，导致汽车悬架的液压减振器的上下振动，此时下摆臂和车架横梁之间会发生相对移动，进而使得弹性梁和第一刚性梁发生相对移动，弹性梁上的凸起与第一刚性梁上端的凸块之间将会相互挤压，这分别给压电俘能部分和电磁俘能部分带来了不同的激励。

压电俘能部分：凸起和凸块相对运动挤压时，弹性梁将会产生一定的形变，弹性梁在左右移动时，将带动其表面的压电片左右移动，即其将产生一定的形变，由于压电效应压电片表面将会产生相应的正负电荷，电荷经由压电片上的电极引线引出。将电极引线接入第一电能转换电路，输出的稳定的电压经过电能采集电路给锂电池充电。

电磁俘能部分：凸起和凸块相对运动挤压时，弹性梁产生的变形导致末端的第一磁铁左右移动，根据磁铁同极相斥的原理可知第二磁铁在压缩弹簧的放大作用下以更快的速度左右移动，使得第二磁铁周围的线圈切割磁感线，产生更大的感应电流，并用导线将感应电流引出，接入第二电能转换电路，输出的稳定的电压经过电能采集电路给锂电池充电。

锂电池可以给MEMX传感器(例如压力传感器、温度传感器和加速度传感器、轮速传感器等)进行供电。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于汽车悬架的压电－电磁复合俘能装置能够有效的采集悬架的振动能量，实现能量的回收利用；有效的避免了汽车传感器用电池更换的不便；本装置将压电俘能和电磁俘能结合到一起能够产生较大的输出电流和较高的输出电压，有效的弥补了压电或电磁单独俘能方式功率偏小的不足，在体积参数不变的条件下提高对外输出功率，缩短充电时间，更加有利于给充电电池供电；并且没有改变汽车悬架原来的结构，结构简单，维修方便。

附图说明

图1为本发明所述俘能装置剖视结构示意图。

图2为本发明所述俘能装置中弹性梁的结构示意图。

图3为本发明所述电能采集电路结构示意图。

1、车架横梁 2、下摆臂 3、上壳体 4、下壳体 5、弹性梁

6、第一刚性梁 7、第二刚性梁 8、压电片 9、第一磁铁 10、线圈

11、防尘罩 12、回位弹簧 13、凸起 14、凸块 15、压缩弹簧

16、第二磁铁 20、第一电阻 21、第二电阻 22、第三电阻

23、第一电容 24、第二电容 25、第一二极管 26、第二二极管

27、开关 28、MAX1811芯片 29、液压减振器。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示：

本发明提供的基于汽车悬架的压电－电磁复合俘能装置的本体设在车架横梁1和下摆臂2之间，包括有上壳体3、下壳体4、弹性梁5、第一刚性梁6和第二刚性梁7，其中上壳体3固定在车架横梁1的下部，弹性梁5设在上壳体3内，弹性梁5的上端设有压电片8，弹性梁5的下端设有第一磁铁9，下壳体4固定在下摆臂2的上部对应上壳体3设置，第一刚性梁6和第二刚性梁7对称设在下壳体4内，第二刚性梁7的上端对应弹性梁5上的第一磁铁9的部位设有第二磁铁16，第二磁铁16的外端设有线圈10，线圈10的一侧固定在第二刚性梁7上。

上壳体3和下壳体4之间罩设有防尘罩11。

压电片8采用双晶串联的形式固定在弹性梁5上，其表面焊有电极并用导线引出作为压电片8的电极引线，分别输出电能的正负极。

弹性梁5的右侧还设有回位弹簧12，弹性梁5的下端磁铁9对应侧设有凸起13，第一刚性梁6的上端对应弹性梁5设有凸起13的部位设有数个凸块14，弹性梁5和第一刚性梁6在进行上下运动过程中凸起13和凸块14能够发生碰撞促使弹性梁5下端的第一磁铁9左右运动，并在磁力的作用下第二刚性梁7上的第二磁铁16在线圈10内进行左右运动，第二磁铁16对应第二刚性梁7的一侧设有压缩弹簧15。

压电片8设置的电极引线连接有第一电能转换电路，压电片8产生的电能通过第一电能转换电路输出，第二刚性梁7上端的线圈10通过两端连接的导线连接有第二电能转换电路，弹性梁5下端的磁铁9在线圈10内运动过程中产生的电能通过第二电能转换电路输出，第一电能转换电路和第二电能转换电路均与电能采集电路相连接，电能采集电路连接有电池或电容，第一电能转换电路和第二电能转换电路输出的电能通过电能采集电路储存到电池或电容内。第一电能转换电路采用Linear公司设计生产的LTC3588芯片来提高能量的转换效率，其可以直接连接压电，用一个外部电容整流电压和存储能量，通过内部并联稳压器，放掉任何多余的电力，并由一个效率高的毫微功率的同步降压稳压器维持稳定的输出电压，该芯片内部包含整流滤波模块和DC-DC降压模块。第二电能转换电路采用Linear公司设计生产的LTC3108芯片来提高能量转换效率，其适应于收集和管理来自诸如TEG(热电发生器)、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量，该芯片的升压型拓扑结构可在输入电压低至20mV的情况下正常运作，该芯片内部包含AC-AC升压模块、蒸馏滤波模块和DC-DC降压模块。

电能采集电路包括第一电阻20、第二电阻21、第三电阻22、第一电容23、第二电容24、第一二极管25、第二二极管26、开关27以及MAX1811芯片28，MAX1811芯片28设置有SELV、SELI、GND、IN、BATT、GND、EN和GND八个引脚，输出电源的正极接MAX1811芯片28的SELV、IN、EN引脚，输出电源的负极接MAX1811芯片28的GND引脚，相串联的第一电阻20和第一二极管25与第一电容23并联接在输出电源的正负极之间，IN和GND引脚之间并联第二电阻21和第二二极管26，BATT和GND引脚之间并联第二电容24，开关27设在输出电源正极和第三电阻22之间，MAX1811芯片28最大充电电压由引脚设置为4.1V和4.2V，最大误差为0.5％，对电池的充电电流通过逻辑控制电路设置为100mA或500mA，第一二极管25是电源指示，第二二极管26是充电指示，灯亮表示正在充电，灯灭表示充电结束。

本发明的工作原理：

当汽车在路面行驶过程中，路面的振动通过轮胎传递到汽车悬架，导致汽车悬架的液压减振器29的上下振动，此时下摆臂2和车架横梁1之间会发生相对移动，进而使得弹性梁5和第一刚性梁6发生相对移动，弹性梁5上的凸起13与第一刚性梁6上端的凸块14之间将会相互挤压，这分别给压电俘能部分和电磁俘能部分带来了不同的激励。

压电俘能部分：凸起13和凸块14相对运动挤压时，弹性梁5将会产生一定的形变，弹性梁5在左右移动时，将带动其表面的压电片8左右移动，即其将产生一定的形变，由于压电效应压电片8表面将会产生相应的正负电荷，电荷经由压电片8上的电极引线引出。将电极引线接入第一电能转换电路，输出的稳定的电压经过电能采集电路给锂电池充电。

电磁俘能部分：凸起13和凸块14相对运动挤压时，弹性梁5产生的变形导致末端的第一磁铁9左右移动，根据磁铁同极相斥的原理可知第二磁铁16在压缩弹簧15的放大作用下以更快的速度左右移动，使得第二磁铁16周围的线圈10切割磁感线，产生更大的感应电流，并用导线将感应电流引出，接入第二电能转换电路，输出的稳定的电压经过电能采集电路给锂电池充电。

锂电池可以给MEMX传感器(例如压力传感器、温度传感器和加速度传感器、轮速传感器等)进行供电。