基于汽车振动的能量收集系统和具有其的汽车的制作方法

本实用新型涉及汽车技术领域，特别涉及一种基于汽车振动的能量收集系统和具有其的汽车。

背景技术：

汽车中存在很多传感器类型的低耗电设备，传统的处理方法是通过蓄电池引出供电线路进行供电，但这存在很多弊端：当传感器众多时，一方面增加了线束布置的复杂程度，降低了系统可靠性；另一方面使得传感器的大量自由布置出现困难。

在车联网的大趋势下，汽车的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)传感器、车内车外温度传感器、路况传感器、胎压传感器、防盗传感器、红外信号接收传感器等各类感知传感器需要长时间启动，由于传感器耗电量极低，因此可以采用电池供电。但由于汽车中的传感器数量众多，一方面更换电池极其复杂，另一方面存在传感器在关键时刻电量耗尽而失效的危险。

因此，如何对汽车中的传感器供电成为目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种基于汽车振动的能量收集系统，该系统将汽车机械振动产生的能量转换为电能给传感器和无线信号发生器供电，使得传感器通过无线方式进行数据传输，彻底摆脱了复杂的线束布置，极大地提高了传感器布置的自由度和便利性。

本实用新型的第二个目的在于提出一种汽车。

为实现上述目的，本实用新型一方面提出的一种基于汽车振动的能量收集系统，包括：本体；设置在所述本体之中的能量收集装置，所述能量收集装置用以收集汽车振动产生的能量；设置在所述本体之中的无线信号发生器；设置在所述本体之上的接口装置，所述接口装置用以连接外部传感器；设置在所述本体之中的低功耗转换电路，所述低功耗转换电路分别与所述能量收集装置、所述接口装置和所述无线信号发生器相连，所述低功耗转换电路将所述能量收集装置收集到的能量转换为电能以分别供给所述无线信号发生器和所述外部传感器，所述无线信号发生器还与所述接口装置相连以将所述外部传感器采集的数据 信息无线传输给所述汽车的信息处理装置。

本实用新型的基于汽车振动的能量收集系统，通过能量收集装置收集汽车振动产生的能量，并通过低功耗转换电路将能量收集装置收集到的能量转换为电能以分别供给无线信号发生器和外部传感器，并且，无线信号发生器将外部传感器采集的数据信息无线传输给汽车的信息处理装置。该系统将汽车机械振动产生的能量转换为电能给传感器和无线信号发生器供电，使得传感器无需连接蓄电池供电系统，并且传感器通过无线方式进行数据传输，彻底摆脱了复杂的线束布置，极大地提高了传感器布置的自由度和便利性，客观上为汽车智能化提供条件。

具体地，所述能量收集装置包括多组悬臂梁，所述多组悬臂梁中的每组悬臂梁包括上下对应设置的第一弹性基片和第二弹性基片，所述第一弹性基片和第二弹性基片的上下两侧设置对称的压电陶瓷晶片，所述第一弹性基片与所述第二弹性基片的末端悬空且相对侧设置极性相反的磁铁。

进一步地，所述每组悬臂梁的首端通过固定件与所述汽车的振动源刚性连接。

进一步地，所述多组悬臂梁为三组，且每组悬臂梁的长度不同。

进一步地，所述每组悬臂梁中的压电陶瓷晶片并联连接后与所述低功耗转换电路相连。

具体地，所述的基于汽车振动的能量收集系统，还包括设置在所述本体之中的能量存储装置，所述能量存储装置分别与所述低功耗转换电路、所述接口装置和所述无线信号发生器相连，所述能量存储装置用于储存电能以在所述汽车处于静止状态时分别给所述无线信号发生器和所述外部传感器供电。

进一步地，所述能量存储装置由锂电池或储能电容器构成。

具体地，所述本体内封装成真空环境。

具体地，所述本体上还设置多个安装孔以将所述能量收集系统安装在所述汽车上。

为实现上述目的，本实用新型还提出了一种汽车，其包括上述的基于汽车振动的能量收集系统。

本实用新型的汽车，通过上述的能量收集系统，能够将汽车机械振动产生的能量转换为电能给传感器和无线信号发生器供电，使得传感器无需连接蓄电池供电系统，并且传感器通过无线方式进行数据传输，彻底摆脱了复杂的线束布置，极大地提高了传感器布置的自由度和便利性，客观上为汽车智能化提供条件。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的基于汽车振动的能量收集系统的结构框图；

图2是根据本实用新型一个实施例的基于汽车振动的能量收集系统的内部结构示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的能量收集装置的结构示意图；

图4是根据本实用新型另一个实施例的基于汽车振动的能量收集系统的结构框图；

图5是根据本实用新型一个实施例的基于汽车振动的能量收集系统的外部结构示意图；以及

图6是根据本实用新型一个实施例的基于汽车振动的能量收集系统的电路图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参照附图来描述本实用新型提出的基于汽车振动的能量收集系统和具有其的汽车。

图1是根据本实用新型一个实施例的基于汽车振动的能量收集系统的结构框图。如图1所示，该基于汽车振动的能量收集系统包括：本体1000、能量收集装置1100、无线信号发生器1200、低功耗转换电路1300和接口装置1400。

其中，能量收集装置1100、无线信号发生器1200和低功耗转换电路1300设置在本体1000之中，接口装置1400设置在本体1000之上。能量收集装置1100用以收集汽车振动产生的能量。接口装置1400用以连接外部传感器。低功耗转换电路1300分别与能量收集装置1100、接口装置1400和无线信号发生器1200相连，低功耗转换电路1300将能量收集装置1100收集到的能量转换为电能以分别供给无线信号发生器1200和外部传感器2000，无线信号发生器1200还与接口装置1400相连以将外部传感器2000采集的数据信息无线传输给汽车的信息处理装置。其中，接口装置1400可以为通用接口或者标准接口，以方便与外部传感器相连。

具体而言，汽车在使用过程中存在能量密度极高的机械振动，如果能收集机械振动为传感器2000供电，则可以使传感器2000在汽车生命周期中无需连接蓄电池供电系统。同时，辅助集成无线信号发生器1200，使得传感器2000通过无线方式将采集的数据信息发送至汽车的信息处理装置，从而彻底摆脱了复杂的线束布置，极大地提高了传感器网络布置的自由度和便利性，客观上为汽车智能化提供条件。

需要说明的是，能量收集系统需高效率收集汽车行驶过程的振动能量，通常收集效率可以用峰值振动效率下单位体积输出的功率来表示，而传感器2000所需的功率密度至少为100μW/cm³，因此，能量收集系统所收集的能量的功率水平应大于传感器2000所需的功率， 即能量收集系统输出的功率密度应大于100μW/cm³，以保证传感器2000正常工作。

根据本实用新型的一个实施例，如图2所示，能量收集装置1100包括多组悬臂梁1110，多组悬臂梁1110可以为三组，且每组悬臂梁1110的长度不同。如图3所示，多组悬臂梁1110中的每组悬臂梁1110包括上下对应设置的第一弹性基片1111和第二弹性基片1112，第一弹性基片1111和第二弹性基片1112的上下两侧设置对称的压电陶瓷晶片1113，第一弹性基片1111与第二弹性基片1112的末端悬空且相对侧设置极性相反的磁铁1114。

进一步地，每组悬臂梁1110的首端通过固定件1115与汽车的振动源刚性连接，用于提供振动激励。

具体地，能量收集装置1100采用基于压电陶瓷双晶片的悬臂梁阵列结构，这种结构具有如下优势：由于悬臂梁在收集机械振动时效率极高，但存在共振频率宽度较低的缺点，而采用三种或三种以上长度的悬臂梁，可以大大提高悬臂梁的共振频率(工作频率)范围；同一种长度的悬臂梁存在上下两片结构，其末端的重量块为一对相互吸引的磁铁，这种结构不仅可以进一步提高能量收集的效率，还能使该长度下对应的共振频率范围进一步拓宽。因此，这种基于压电陶瓷双晶片的悬臂梁阵列结构在提高振动能量收集效率和高效共振频率宽度上具有极大优势。另外，不等长的悬臂梁阵列结构还有利于空间的充分利用，如图2所示，无线信号发生器1200和低功耗转换电路1300的布置就充分利用了不等长悬臂梁阵列结构所产生的空间，可以降低整个能量收集系统的体积。

进一步地，可以按照图3所示的结构将压电陶瓷晶片1113和极性相反的磁铁1114粘接在第一弹性基片1111和第二弹性基片1112上。其中，极性相反的磁铁1114相互吸引，一方面可以降低整体共振频率至所需要的范围和增大振幅，另一方面可以使两个悬臂梁振动相互耦合，在增加共振频率宽度的同时维持最大振动幅度。在实际应用中，能量收集系统的输出功率峰值可达50mW，输出功率密度可达1mW/cm³，满足绝大多数低功耗无线信号发生器120和传感器2000所需的功率水平。

根据本实用新型的一个实施例，如图4所示，上述的基于汽车振动的能量收集系统，还包括设置在本体之中的能量存储装置1500，能量存储装置1500分别与低功耗转换电路1300、接口装置1400和无线信号发生器1200相连，能量存储装置1500用于储存电能以在汽车处于静止状态时分别给无线信号发生器1200和外部传感器2000供电。其中，能量存储装置1500可由锂电池或储能电容器(如超级电容器)构成。

具体地，在汽车正常行驶过程中，可以通过能量收集装置1100收集汽车的机械振动，并通过低功耗转换电路1300将机械振动转化为电能，一方面为外部传感器2000提供电能，另一方面为无线信号发生器1200提供电能，外部传感器2000将采集的数据信息通过无线信号发生器1200传输给外部信息处理装置。由于能量收集系统所收集的能量的功率水平大 于传感器2000和无线信号发生器1200所需的功率，因此可将多余的电能存储于能量存储装置1500(如锂电池或超级电容器等)中。当汽车处于静止状态时，能量收集装置1100收集不到足够的机械振动给无线信号发生器1200和外部传感器2000供电，此时可通过能量存储装置1500给无线信号发生器1200和外部传感器2000供电。例如，在汽车处于静止状态时，可通过能量收集装置1100给GPS传感器、车内车外温度传感器、路况传感器、胎压传感器、防盗传感器、红外信号接收传感器等各类需要长时间处于工作状态的传感器供电，保证传感器正常工作。

另外，如图2所示，在对能量存储装置1500进行布置时，也充分利用了不等长悬臂梁阵列结构所产生的空间，采用这种布置方式的能量收集系统的体积可达到60mm×60mm×20mm。在实际应用中，如果需要能量收集系统小型化，可以按照比例进一步缩小该能量收集系统。

考虑到能量收集系统应高度可靠，尽量使其在汽车的整个生命周期中无需更换，因此，该能量收集系统的封装也需要着重考虑。

根据本实用新型的一个实施例，本体1000内封装成真空环境，即，能量收集系统为全封闭内真空系统，以在汽车长期使用过程中，在无外力强制破坏的条件下，可以不用对其进行更换，从而有效避免了采用电池供电时带来的更换电池极其复杂的问题，尤其是在传感器较多的情况下，并且避免了传感器在关键时刻电量耗尽而失效的风险，提高了汽车的安全性和用户体验。另外，由于能量收集系统采用全封闭真空结构，在布置过程中，无需考虑外界温度、湿度等环境，提高了其应用范围。

根据本实用新型的一个实施例，如图5所示，本体1000上还设置多个安装孔1600以将能量收集系统安装在汽车上。例如，可以通过本体1000表面上设置的多个标准化的安装孔1600(如M3螺栓孔)轻松地将能量收集系统布置在汽车底盘、车身、发动机舱等位置，防止汽车行驶过程中出现掉落现象。

在本实用新型的一个实施例中，每组悬臂梁1110中的压电陶瓷晶片1113并联连接后与低功耗转换电路1300相连。

具体地，如图6所示，当多组悬臂梁1110为三组时，多组悬臂梁1110一共有6组压电陶瓷晶片1113，将6组压电陶瓷晶片1113并联后，连接到低功耗转换电路1300的输入端。低功耗转换电路1300的输出端连接至锂电池和无线信号发生器1200，外部传感器2000由无线信号发生器1200引出，具体电路结构这里不再详述。

综上所述，本实用新型的基于汽车振动的能量收集系统，通过能量收集装置收集汽车振动产生的能量，并通过低功耗转换电路将能量收集装置收集到的能量转换为电能以分别供给无线信号发生器和外部传感器，并且，无线信号发生器将外部传感器采集的数据信息 无线传输给汽车的信息处理装置。该系统将汽车机械振动产生的能量转换为电能给传感器和无线信号发生器供电，使得传感器在汽车生命周期中无需连接蓄电池供电系统，并且传感器通过无线方式进行数据传输，彻底摆脱了复杂的线束布置，极大地提高了传感器布置的自由度和便利性，客观上为汽车智能化提供条件。

此外，本实用新型还提出了一种汽车，其包括上述的基于汽车振动的能量收集系统。

本实用新型的汽车，通过上述的能量收集系统，能够将汽车机械振动产生的能量转换为电能给传感器和无线信号发生器供电，使得传感器无需连接蓄电池供电系统，并且传感器通过无线方式进行数据传输，彻底摆脱了复杂的线束布置，极大地提高了传感器布置的自由度和便利性，客观上为汽车智能化提供条件。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者 特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。