一种基于PVDF压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法

一种基于pvdf压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于pvdf压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法，属于汽车能量回收领域。


背景技术：

2.由于现阶段能源紧张以及供需矛盾突出，作为太阳能、热能及振动能的绿色无污染能源的采集发电技术已成为我国可持续发展战略的一部分；且无论是新能源汽车还是传统燃油汽车，车载设备的用电均为动力系统提供，续航和车载设备的供能均受到限制。太阳能收集技术仅能在足够光照下工作，必须放置于车体外表面，不适合运动载体和结构内部的工作环境，且热能无法在汽车日常出行时温度梯度变化不大的情况下有效工作。振动能量因具有普遍性和持续性成为汽车出行时能持续高效收集的首选绿色能源。据调研了解，压电材料的正电效应可以有效收集汽车因振动、胎压变化及胎侧形变产生的无效机械能。但目前存在压电技术主要应用于发电地板、纳米发电机、海洋浮体发电等无法直接、普遍造福人们日常生活的领域。因此，迫切需要一种在汽车行驶及停泊过程中运用压电技术、能够持续有效收集多余能量转换成电能的设备及运行方法，缓解汽车出行的用电紧张，减轻消费者的里程焦虑。
3.目前，市面上针对运用压电材料回收汽车释放的多余能量的技术应用情况仍存在不足，不能有效缓解汽车出行的能耗问题。例如cn202120402293.1一种具有压电效应的轮胎，该轮胎通过于胎芯内部周向设置若干个压电陶瓷及金属片，实现汽车的边行驶边发电的效果，但该设计采用的压电陶瓷是脆性材料，若胎面出现应力集中，易使其材质遭到破坏，且其嵌入胎芯，影响轮胎各材料层之间的相对强度，将会造成汽车行驶的安全隐患；又例如cn201721920408.6一种新型压电式轮胎，其通过在轮胎胎面的内侧设置压电薄膜，将轮胎在行驶过程中产生的扭曲形变等机械能转化为电能，持续为车上的用电器或驱动电机推动提供能源，但设置在胎面内侧的压电薄膜仅因胎面扭曲而产生微量形变量，不能保证发电量的需求，且只能在汽车行驶过程中实现能量转换，工作场景具有局限性，以及其同样嵌入胎芯，影响车胎强度要求，给人们的出行带来安全问题。
4.本发明设计了一种基于pvdf压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法，因pvdf压电膜具有高稳定性、耐疲劳性以及更高的柔性，压电常数大，其易加工成大面积的压电结构，可适应多样的工作安置需求。设备通过在车轮气密层与胎体增强层交界处，按照平行、交错的排列方式，将若干个由pvdf压电膜和磁致伸缩材料以导电银胶粘连组成的层状磁电复合材料与其连接；在汽车行驶时，由于振动，磁致伸缩材料与永磁体相对运动而导致的形变，且由于道路压迫造成的胎侧弹性形变及胎压变化；以及汽车停泊一段时间后，车胎由于太阳照射引起的胎内空气压力变化，产生磁致伸缩效应及压电效应的乘积效应，形成磁电耦合，直接或间接促成pvdf压电膜的形变量增大，进而提高其极化程度，更高效地将汽车无效机械能转化为电能，并持续为蓄电池组等负载充电。相对于上述
只能在汽车行驶过程中转换能量的设备，本发明可在汽车行、止不同情况下持续转换能量，且设备系统安置于轮胎气密层内，没有破坏胎芯之间的强度关系，在一定程度上优化汽车的能量利用率，提高其续航能力，减少出行的安全隐患。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于pvdf压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及运行方法，由压电能量采集结构系统和充电系统两部分组成；
6.其中压电能量采集结构系统由胎体增强层1、一号环形永磁体2、二号环形永磁体3、pvdf压电膜4、磁致伸缩材料5、轮胎气密层6、轮辋7组成；一号环形永磁体2与胎体增强层1在其位于与轮胎气密层6的顶部交界面连接，二号环形永磁体3与轮辋7连接，二号环形永磁体3轮辋7的正上方，位于在pvdf压电膜4两侧与胎体增强层1和轮胎气密层6两侧的交界面连接，pvdf压电膜4上下两侧与磁致伸缩材料5连接，pvdf压电膜4位于磁致伸缩材料5的中间；
7.其中充电系统由压电能量采集放大与稳压电路与boost升压充电电路组成；
8.其中压电能量收集放大与稳压电路由ac交流电源8、c1电容器9连接成作为压电能量采集结构系统等效电学模型的正弦电压源33、d1二极管10、c2电容器11、c3电容器12、d2二极管13、d3二极管14、c4电容器15组成的三倍压放大整流电路34、电源管理芯片16与c4电容器15连接的稳压电路35组成；ac交流电源8上端与c1电容器9连接，ac交流电源8两端与a1电路接口21连接，c1电容器9与d1二极管10正极连接，同时与c3电容器连接，d1二极管10负极与d2二极管正极、c2电容器11连接，d3二极管14正极与c3电容器12、d2二极管13负极连接，c4电容器15上端与d3二极管14负极、电源管理芯片16的pz1接口17连接，c4电容器15下端与电源管理芯片16的pz2接口18连接，电源管理芯片16的vout接口19与a2电路接口20连接；
9.其中boost升压充电电路由电感线圈22、运算放大器23、d4二极管30、mos管26、d4二极管30、c5滤波电容器31、蓄电池组32组成；电感线圈22左端与a2电路接口20连接、电感线圈22右端与mos管26的d极28、d4二极管30正极连接，运算放大器23的同相输入端口24与a1电路接口21连接，运算放大器23的反相输入端口25接地，运算放大器23的输出端与mos管26的g极27连接，mos管26的s极接地，c5滤波电容31上端与d4二极管30负极、蓄电池组32正极连接，c5滤波电容31下端与蓄电池组32负极连接。
10.电源管理芯片16为ltc3588-1集成电路。
11.mos管26型号为n沟道耗尽型。
12.磁致伸缩材料5材质为铁镓合金galfenol。
13.pvdf压电膜4与磁致伸缩材料5以导电银胶36粘连，形成层状磁电复合材料37，产生磁致伸缩效应及压电效应的乘积效应，形成磁电耦合。
14.人员在驾驶汽车行驶过程中，由于汽车自身及路面坑洼带来的振动、热车胎压的变化、车胎胎侧的弹性形变，及人员在太阳下泊车一段时间后太阳照射面的轮胎侧内胎压的变化，安装在轮胎气密层内6的压电能量采集结构系统随着上述情况不断产生极化电荷，经过压电能量采集放大与稳压电路及boost升压充电电路，回收无效机械能并转化为可供蓄电池组32充电的有效电能。压电能量采集结构系统中的pvdf压电膜4与磁致伸缩材料5组
成的层状磁电复合材料37工作振模式包括d31模式和d33模式，且二者同时进行，其自供电系统工作原理如下：
15.由于汽车行驶时，轮胎因车身内部器件运行工作及行驶过程中的颠簸产生持续振动，振动引起层状磁电复合材料37与一号环形永磁体2和二号环形永磁体3形成相对运动，处于变化磁场中的磁致伸缩材料5在纵向被磁化，在垂直方向产生应力，在水平方向伸长发生形变，进而传递给被磁致伸缩材料5上下粘合的pvdf压电膜4，pvdf压电膜4同时受到应力和磁致伸缩材料5水平伸长而产生的拉力，发生形变；
16.汽车行驶过程中，轮胎不断挤压路面，热车胎压比冷车胎压高；且汽车停泊一段时间后，若所处天气太阳辐射量大，受到太阳直射的轮胎处胎压将会高于阴凉处的胎压；针对上述两种情况，轮胎气密层6内空气压强随即发生变化，在垂直于pvdf压电膜4与磁致伸缩材料5组成的层状磁电复合材料37上下面产生一定大小的空气压力，进而pvdf压电膜4产生一定形变量；
17.汽车行驶途中，由于汽车轮胎与路面的连续挤压，车胎受压处横截面变得较为扁平，胎侧发生弹性形变，进而与胎体增强层1和轮胎气密层6两侧交界面连接的pvdf压电膜4整体受到水平方向的拉扯，pvdf压电膜4受到平行于膜的拉力，部分与交界面倾斜连接的pvdf压电膜4受到垂直于膜的压力，发生形变；
18.当膜受到平行于膜的拉力时，受力方向垂直于极化方向，处于d31工作振模式；当膜受到垂直于膜的压力时，受力方向平行于极化方向，处于d33工作振模式；pvdf压电膜4在以上两种工作振模式下发生形变，通过正电效应，在上下表面产生等量异号的极化电荷，进而可在垂直于极化方向的电极表面采集电荷。
19.在充电系统中的压电能量采集放大与稳压电路中，ac交流电源8与c1电容器9组成的作为压电能量采集结构等效电学模型的正弦电压源33不断输出正弦电压，同时传向a1电路接口21及三倍压放大整流电路34；正弦电压输向三倍压放大整流电路34时，在遵循点电容器两端电压不能突变的原则下，当正弦电压处于正半周时，d1二极管10导通，d2二极管13、d3二极管14截止，正弦电压源33输出电压u给c2电容器11充电，充电完成后，c2电容器11两端电压与正弦电压值u相等；当正弦电压处于负半周时，输出电压为正半周输出电压的相反数-u，d2二极管13、d3二极管14导通，d1二极管10截止，输出电压-u给c3电容器12、c4电容器15充电，充电完成后，c3电容器两端电压值为2u，c4电容器15两端电压值为u；当正弦电压再次处于正半周时，d1二极管10、d3二极管14导通，d2二极管13截止，输出电压u给c2电容器11、c4电容器15充电，充电完成后，c4电容器15两端电压为3u，c2电容器11两端电压为u；当正弦电压源33再次发生正负转向时，最终c4电容器15的输出电压维持在3u；
20.ac交流电源8与c1电容器9组成的正弦电压源33输出的正弦电压经过三倍压放大整流电路34，通过c4电容器15供电，向电源管理芯片16通过pz1接口17及pz2接口18输入三倍正弦电压，使前者正常工作；电源管理芯片16对输入的电压进行整流、滤波、存储和稳压，设定将其转换成调节好的3.6v直流电压通过vout接口19并连接a2电路接口20输出。
21.在充电系统中的boost升压充电电路中，电源管理芯片16的vout接口19输出的3.6v直流电压通过a2电路接口20与电感线圈22连接，电感线圈22为储能元件；ac交流电源8与c1电容器9组成的正弦压电源输出的正弦电压经过a1电路接口21输向运算放大器23的同相输入端口24，运算放大器23向mos管26的g极27输入高、低电平；当于mos管26的g极27输入
低电平时，mos管26导通，从a2电路接口21输入的3.6v直流电压直接给电感线圈22充电；当于mos管26的g极27输入高电平时，mos管26截止，电感线圈22存储的能量及3.6v电压通过d4二极管30传输至c5滤波电容31放电，二者叠加，实现升压；因从a1电路接口21输入运算放大器23的同相输入端口24的正弦电压正负半周的不断变化，运算放大器23输出高、低电平的频率与正弦电压的变化一致，进而与mos管26导通、截止情况的变化一致，即c5滤波电容31两端电压不断经过叠加而升压，最终达到蓄电池组32的充电电压要求，进而c5滤波电容31上的电压对蓄电池组32进行全浮充。
22.轮胎气密层6中，各个pvdf压电膜4形成若干个由ac交流电源8、c1电容器9连接成的正弦电压源33，其两侧与胎体增强层1和轮胎气密层6两侧的交界面连接，即相当于在压电能量采集放大与稳压电路中并联了若干个正弦电压源33，在两端正弦电压值相同的情况下，增加了输入电流大小，进而在boost升压充电电路中，达到蓄电池组32浮充的电流要求，确保充电工作正常运行。
附图说明
23.图1为本发明的自供集能充电系统流程图。
24.图2为本发明的压电能量采集结构正视图。
25.图2中的标号名称：1.胎体增强层、2.一号环形永磁体、3.二号环形永磁体、4.pvdf压电膜、5.磁致伸缩材料、6.轮胎气密层、7.轮辋；且图中相似结构均指标号4或标号5。
26.图3为本发明的压电能量采集结构右侧视图。
27.图3中的标号名称：1.胎体增强层、2.一号环形永磁体、3.二号环形永磁体、4.pvdf压电膜、5.磁致伸缩材料、6.轮胎气密层、7.轮辋；且图中相似结构均指标号4或标号5。
28.图4为本发明的压电能量采集结构左侧视图。
29.图4中的标号名称：1.胎体增强层、2.一号环形永磁体、3.二号环形永磁体、4.pvdf压电膜、5.磁致伸缩材料、6.轮胎气密层、7.轮辋；且图中相似结构均指标号4或标号5。
30.图5为本发明的层状磁电复合材料发电原理图。
31.图5中的标号名称：4.pvdf压电膜、5.磁致伸缩材料、36.导电银胶、37.层状磁致复合材料。
32.图6为本发明的压电能量采集放大与稳压电路原理图。
33.图6中的标号名称：8.ac交流电源、9.c1电容器、10.d1二极管、11.c2电容器、12.c3电容器、13.d2二极管、14.d3二极管、15.c4电容器、16.电源管理芯片、17.电源管理芯片pz1接口、18.电源管理芯片pz2接口、19.电源管理芯片vout接口、20.a2电路接口、21.a1电路接口、33.正弦电压源、34.三倍压放大整流电路、35.稳压电路。
34.图7为本发明的boost升压充电电路原理图。
35.图7中的标号名称：20.a2电路接口、21.a1电路接口、22.电感线圈、23.运算放大器、24.运算放大器同相输入端口、25.运算放大器反相输入端口、26.mos管、27.mos管g极、28.mos管d极、29.mos管s极、30.d4二极管、31.c5电容器、32.蓄电池组。
具体实施方式
36.如2-4图、6-7图所示，一种基于pvdf压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供
集能充电设备，主要是由压电能量采集结构系统和充电系统两部分组成；如图1、图5所示，分别为该轮胎自供集能充电系统的工作流程图及压电能量采集结构中pvdf压电膜在不同运行工况下发电原理图。
37.下文以人员驾驶汽车行驶及停泊过程中轮胎所处工况对系统设备发电情况影响的实例说明本发明的方法。
38.当人员在驾驶汽车行驶过程中，轮胎由于同时受到汽车内部器件工作的运行振动以及轮胎胎面碾压坑洼路面以及减速带等不平路况时车身产生颠簸振动的影响，pvdf压电膜4与磁致伸缩材料5组成的层状磁电复合材料37与一号环形永磁体2及二号环形永磁体3形成相对运动；在变化磁场中，磁致伸缩材料5被磁化，在水平方向伸长，发生形变，进而使pvdf压电膜4产生一定形变量；
39.当人员在驾驶汽车行驶过程中，轮胎由于承载自身重量碾压路面，造成轮胎气密层6内热车胎压高于冷车胎压，空气压强变化大，垂直于pvdf压电膜4方向上产生一定大小的空气压力，使其产生形变；
40.当人员在驾驶汽车行驶过程中，轮胎在车身自重下与路面连续挤压，车胎下沉，其受压处变得扁平，胎侧将因此发生弹性形变，进而与胎体增强层1和轮胎气密层6两侧交界面连接的pvdf压电膜4整体受到水平方向的拉扯，产生形变；
41.当人员将汽车停泊在烈日下时，因其所处天气太阳辐射量大，一段时间后，受到太阳直射的轮胎侧胎压将会高于阴凉侧的胎压，因此轮胎气密层6内空气压强发生变化，产生垂直作用在pvdf压电膜4上的空气压力，随即pvdf压电膜4发生形变；
42.pvdf压电膜4在以上不同汽车使用情况对应轮胎不同的四种工况下，均发生一定的形变量，且因在pvdf压电膜4上连接磁致伸缩材料5，其能够因为汽车的持续振动，在轮胎胎压变化及胎侧弹性形变的基本采电工况下，进一步增大pvdf压电膜4的形变，使其形变量的数值范围扩大，形变频率提高，极化持续时间延长、效果显著。该设备以此通过正电效应，pvdf压电膜4上下表面产生等量异号的极化电荷，进而可以随着汽车的行、止，在垂直于极化方向的电极高效连续地表面采集电荷，将车胎内多种无效机械能转化为电能。
43.本发明的设备系统安置于轮胎气密层6内，没有破坏胎体增强层各材料之间的强度关系，不影响人员的驾驶操作，减少了人员出行的安全隐患。可通过本专利所述设备工作原理的实施，达到汽车在行驶的同时进行发电和能量回收，缓解汽车能源损耗、用电负担及人员的里程焦虑，增大续航能力，优化人员出行体验。