基于压电材料的车辆振动能量收集

刘 杰，尚广庆，汪红兵

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

基于压电材料的车辆振动能量收集

刘 杰，尚广庆，汪红兵

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

汽车、火车、地铁等交通工具在运输过程中所产生的振动，可利用压电材料收集并将之转化为电能，直接供电或储存起来.介绍国内外应用压电材料收集车辆振动能量的主要研究成果和进展，分析不同压电能量收集方式的基本结构、工作方式和性能.

车辆振动；能量收集；压电材料

随着社会的不断进步，汽车、火车、地铁等交通工具被广泛应用到日常生活中.然而，这些交通工具中很大一部分能量被消耗在由道路不平整、车辆启动、加速等引起的振动中[1].如果能够合理地利用这部分振动能量，既能提高能源利用率，又能提高乘坐舒适度.收集振动能量主要有四种工作方式：压电式、电磁感应式、电容式和磁致伸缩式[2].其中压电式具有直接将电能和机械能相互转化的特殊功能，所研制的压电发电装置具有结构简单、能量密度高、工作可靠、适应性强、无污染、成本低等突出优点.因此在传感、驱动、振动控制等方面有着广泛的应用.

近年来，压电材料被越来越多地用于车辆振动能量收集，用来直接供电或进行储存.

1 车辆自身的振动能量收集

随着科技的进步，压力传感器、温度传感器、速度传感器等各类传感器被广泛应用到车辆当中.这些传感器通常由车载电池集中供电.然而，随着传感器数量的与日俱增，线路变得非常复杂，维护也非常麻烦.此外，还有一些情况，如胎压无线监测系统(tire pressure monitoring system，TPMS)不能使用车载电池直接连线供电.因此，很多研究尝试使用压电材料，通过收集车辆自身的振动能量，直接给这些传感器供电.

廖海洋、钟正青[3]为解决轮胎压力监测系统的电能自给问题，采取将PZT5压电振子复合在轮胎内底面的能量收集方案.基于有限元静力和瞬态分析结果，所选择的40 mm×15 mm单个压电振子在15 Hz固定形变的激励下，有效输出电流为5 μA，峰值电压为5 V以上.当振子数量在40以上时，轮胎发电输出的功率能满足TPMS休眠模式耗电30 μW、发射耗电35 mW、间歇时间30 s的需要.

图1 TPMS压电发电装置

闫世伟等[4]在实验中采用由两片单晶片压电振子、整流桥、超级电容、稳压芯片、装置外壳组成的装置，并将其安装在轮毂上，如图1所示.测试显示，汽车在正常行驶条件下，压电发电装置为超级电容充满电需4～7 h；满充的超级电容可为TPMS供电至少7 h，可以满足TPMS使用要求.

何远钦[5]建立面向车载传感器的汽车振动数学模型，设计悬臂梁式压电能量收集装置，如图2所示.悬臂梁材料为1060铝合金，自由端尺寸为290 mm×25 mm×2 mm.长厚为33.7 mm×1.4 mm×2 mm的PZT用AB胶粘贴在悬臂梁根部，距离悬臂梁固定端3 mm.试验结果显示，汽车在高速路面行驶时悬臂梁平均输出功率较小为1.34 μW，最大功率为37 μW；在石子路面下悬臂梁平均输出功率为13.28 μW，最大输出功率可达130 μW.

穆飞等[6]分析悬臂梁压电振子分别安放在汽车轮毂、发动机和车架位置处的发电能力.结果表明，在轮毂上，垂直轮毂放置方式的发电能力较好；而在发动机位置处安放，则应选择悬臂梁轴线过质心，且离质心最远的位置；对于车架，应使压电发电装置远离车架的质心位置安放.

图2 PZT压电片结构图

2 悬挂系统的能量收集

车辆悬挂系统是保证乘客舒适的一个重要环节，车辆很大部分的振动能量通过悬挂系统被转化为热能散发掉.如果能够合理利用这一部分能量，那么对节能减排会有很大的意义.压电材料在悬挂系统部分的应用可归结为两方面：一是开发压电减震器，二是将振动能转化为电能进行收集.本文主要针对第二种应用进行讨论.

林家让[7]发明一种将压电装置置于汽车悬挂系统中，利用振动能量产生电能，并作为一种电力供应加以存储和利用的装置.该发明采用适当的控制策略，还具有半主动减振的作用，节能减排的同时，提高了舒适度.刘家良等[8-9]提出利用原减震弹簧使变形作用于悬臂式压电片上的压电发电器，如图3所示.两种结构的悬挂系统压电发电器都没有改变汽车原有结构，安装方便，所收集转换的电能被存储后可为小型用电设备供电.

图3 两种结构的悬挂系统压电发电器

在理论上，Lei Zuo等[10]通过建立车辆振动模型，分析在正常情况下，车辆通过悬挂系统能够收集的振动能量以及相关的影响因素.研究发现，当时速为96.56 km/h，一辆中等轿车在不同路面情况下可收集100～400 W的能量；当时速为40.23 km/h，可收集60 W的能量.所收集的能量多少主要与路况、速度及轮胎的刚度有关.

3 公路、轨道、桥梁等路面振动能收集

除了研制开发车辆本体上的压电发电装置外，近几年，利用压电材料收集由车辆荷载作用于公路、轨道、桥梁所产生的振动能，成为研究热点.

最早成功研制收集路面振动能压电发电装置的是以色列技术研究院下属公司Innowattech[11].图4是公司开发的用于公路、铁路、机场的压电收集单元(IPEGTM).单元可在一条双车道上产生0.5 MW/(km•h)的电量，合计成本为3～10€/(kW•h)，投资回收期6～12 a.而一般太阳能俘能系统的成本为10～20€/(kW•h)，回收期为20～30 a.更值得一提的是，IPEGTM的安装不仅不会增加车辆的每千米油耗，而且还由于振动能的收集减少了热量对路面的损害以及噪音对环境的影响.目前，该技术还处于保密状态.

图4 不同路面的压电收集单元IPEGTM

J•Lee等[12]研究路面动态荷载作用下基于压电效应的能量转化影响因素及其之间的关系；G•Ye等[13]提出一种基于遗传算法的压电换能器自动优化方法，通过该方法设计的换能器可以根据实时路面振动数据自动调节内部频率以收集更多的能量.A•Kokkinopoulos等[14]研究适合市区路面车辆振动能量收集的压电发电策略，分析压电振子布置方式和车流量对发电输出的影响.林伟等[15]设计一种应用于沥青混凝土路面的叠堆式压电自发电能量采集与照明装置.曹秉刚等[16]研发一种压电叠堆式的公路系统振动能量压电发电系统.赵鸿铎等[17]基于有限元对应用于沥青路面进行能量收集的Cymbal压电能量收集器参数进行了分析优化，在20 Hz、0.7 MPa交通荷载的作用下按照其设计的Cymbal换能器，计算机模拟单个Cymbal压电换能器可产出功率为1.2 mW的电能，不同路面压电换能器的换能效率约为5%～30%.孙春华等[18]对适合路面机械振动能量回收的圆柱形压电换能器进行有限元分析，得到换能器结构参数及埋设深度对俘获电能及路面变形的影响.同时对阵列参数对发电能力和路面变形的影响进行研究，获得优化的压电能量收集单元.结果表明：一个直径30 mm、厚5 mm的压电换能器，埋设40 mm沥青路面下，在15 Hz和0.7 MPa标准轮载作用下，可俘获0.42 mW的电能，理论上每车道可俘获1.785 mW/km的电能.

在轨道方面，汪杰[19]通过建立车辆荷载简化模型，以轨道简谐不平顺作为车辆振动的激扰输入，构建轨道压电发电装置的机电耦合模型.假设单根轨枕下并联铺设压电陶瓷40片，如图5所示，连续铺设100根轨枕(约60 m长的线路)，按照每年运行365 d、每天运行16 h、每小时经过20辆列车、电路效率为75%计算，一年可采集电能6.174×103kW•h.齐冀等[20]研制基于压电悬臂梁和超级电容的地铁轨道振动能量回收系统.系统采用多个压电振子作为能量回收装置，放置于地铁轨道上，如图6所示.设计中采用多路整流汇流、集中储能的方式.试验结果表明系统在60～70 Hz储能和供电稳定.系统收集电能的能力与压电振子的个数密切相关，充电时间则与超级电容的大小密切相关.

图5 车体荷载压电收集数学模型

图6 压电陶瓷在轨道上的安放

S•F•Ali等[21]研制利用压电材料收集公路桥的振动能，为桥诊断无线传感器节点提供电能.研究指出，压电换能器与桥的一阶频率匹配时，所俘获的能量达到最高.所产生的能量与车辆行驶的速度和质量有很大的关系.虽然是对单车通过时公路桥被激发后压电能量收集的简单模型研究，但却很容易地推广到多车行驶的情况，因为所推导的模型是线性的.

目前，压电式能量收集正逐渐被应用到智能路面的自诊断、超重检查、自修复、车辆轨迹检测、飞机出航前的潜在问题探测等技术的研究与探索中.

4 结论

综上所述，压电材料在收集车辆振动能量方面的应用越来越广泛.所采用的压电能量收集装置必须针对不同的车辆、运行环境以及最终用途进行设计.与其他方面的压电振动能量收集装置的设计相似，其难点在于振动模型的建立与合理地设计收集装置和高效的回收电路.随着全球气候变暖的加剧和石油、煤炭、天然气等不可再生资源的紧缺，寻求可再生、可持续的绿色能源已成为人类文明可持续发展的重要挑战.利用压电材料收集车辆振动能量具有很高的理论意义和社会价值.

[1] LEI Z，PEI S Z.Energy harvesting，ride comfort，and road handling of regenerative vehicle suspensions[J].Journal of Vibration and Acoustics，2013，135(2)：1-8.

[2] ERICE.Introduction to Vibration Energy Harvesting[R].Italy：NiPS Energy Harvesting Summer School，2012.

[3] 廖海洋，钟正青. 压电陶瓷轮胎发电机的设计[J]. 光学精密工程，2009，17(6)：1327-1332.

[4] 闫世伟，杨志刚，罗洪波，等. TPMS用压电发电装置研究[J]. 压电与声光，2010(32)：774-781.

[5] 何远钦. 面向车载传感器的压电式振动能量收集系统研究[D]． 厦门：厦门大学，2012.

[6] 穆飞，傅波. 车载环境下悬臂梁压电振子发电能力的研究[J]. 振动、测试与诊断，2013，33(S2)：72-76.

[7] 林家让. 汽车振动能量压电发电方法及其系统：中国，1603155[P]. 2005-04-06.

[8] 刘家良，万法高. 一种用于汽车悬臂减震器位置的压电发电器：中国，201220301969.9[P].2012-06-27.

[9] 李同强. 汽车震动颠簸机械能回收发电装置：中国，201210170812.1[P].2012-05-23.

[10] LEI Z，XIU D T.Large-scale vibration energy harvesting[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2013，24(11)：1405-1430.

[11] INNOWATTECH.Innowattech’s solution-The Innowattech Piezo Electric Generator (IPEG™)[EB/OL].(2010-09-10)[2015-04-28].http：// www.innowattech.co.il/index.aspx.

[12] LEE J，LEE M，OH J，et al.Study on the energy conversion from the dynamic load of vehicles on the road using piezoelectric material[J]. Materials Science Forum，2010，658：57-60.

[13] YE G，YAN J，WONG Z J，et al.Optimization of piezoelectric system for energy harvesting from traffic vibrations[C]//IEEE.2009 IEEE Internal Symposium Proceedings.Piscataway：IEEE 2009：759-762.

[14] KOKKINOPOULOS A，VOKAS G，PAPAGEORGAS P.Energy harvesting implementing embedded piezoelectric generators-the potential for the Attiki Odos traffic grid[J].Energy Procedia，2014，50：1070-1085.

[15] 林伟，陈文，孙华君，等． 用于沥青混凝土路面的压电自发电能量采集与照明装置：中国，101783616A[P].2010-07-21.

[16] 曹秉刚，高振华，宋振平，等． 利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统：中国，1633009A[P].2005-06-29.

[17] ZHAO H D，YU J，LING J M.Finite element analysis of cymbal piezoelectric transducers for harvesting energy from asphalt pavement[J]. Journal of the Ceramic Society of Japan，2010，118(10)：909-915.

[18] 孙春华，杜建红，汪红兵，等. 路面振动压电浮能器的性能分析[J]. 压电与声光，2013，35(4)：556-560.

[19] 汪杰. 基于列车运动的轨道与地面振动能量回收机理研究[D]. 上海：上海工程技术大学，2011.

[20] 齐冀，李臻. 地铁轨道振动能量回收系统的研制[J]. 节能技术，2011(29)：315-322.

[21] ALI S F，FTISWELL M I，ADHIKARI S.Analysis of energy harvesters for highway bridges[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2011，22(16)：1929-1938.

(责任编辑：沈凤英)

Application of Piezoelectric Energy Harvesting from Vehicle Vibration

LIU Jie，SHANG Guang-qing，WANG Hong-bing
(School of Mechano-electranic Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

When vehicles are traveling on the road，vibration is unavoidable.The vibration energy can be converted into electrical power for direct usage or storage.The main research achievements and progress on piezoelectric energy harvesting from vehicle vibration are presented.The basic structure，work pattern and the performance of the harvesting devices are analyzed.

vehicle vibration；energy harvest；piezoelectric material

TP282

A

1008-5475(2015)03-0041-04

2015-05-04；

2015-06-02

国家自然科学基金资助项目(51175359)；第四期“333工程”科研资助项目(BRA2014086)

刘 杰(1986-)，男，江苏苏州人，硕士，主要从事智能材料控制与应用研究.