《車輪振動壓電俘能系統設計理論及其套用技術研究》是依託吉林大學，由楊志剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：車輪振動壓電俘能系統設計理論及其套用技術研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊志剛
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
研究汽車行駛中輪轂振動下的壓電發電行為及其能量捕獲與轉換問題，並將其轉用於對汽車輪胎氣壓感測傳送單元的驅動，進而形成可自行供電而不使用電池的汽車輪胎氣壓報警新技術。通過試驗與理論分析獲取行駛中汽車輪轂的各種振動形態與主要特徵，明確各種外部因素(如路面狀況、行駛速度、轉彎慣量、環境溫度等) 對振動形態(如徑向與切向振動、或其他運動)的影響關係；通過建立物理和數學模型分析並揭示壓電俘能器結構、尺寸等與能量捕獲量的關係，找出壓電材料的機電耦合係數、品質因數、介電常數等參數對能量捕獲效率的影響規律，獲得提高振動能量捕獲量和捕獲效率的方法，進而確定對應的壓電俘能器結構、信號處理電路與安裝方式，為最佳化設計提供依據；進行系統的小型化、集成化設計，試製壓電俘能式汽車胎壓報警系統樣機。
結題摘要
汽車輪胎氣壓報警系統是汽車安全領域的關鍵技術之一，本項目提出將壓電發電裝置用於其安裝於輪轂上的感測傳送單元的自供電。汽車輪轂具有複雜的振動特性，作為利用這一振動進行發電的壓電俘能器，有大量的理論與技術問題需要解決。項目針對汽車行駛中輪轂振動下的壓電發電行為及其能量捕獲與轉換問題展開研究，並設計系列的新型壓電換能裝置，具體內容包括：①通過試驗與理論分析獲取了行駛中汽車輪轂的各種振動形態與主要特徵，明確各種外部因素對振動形態的影響關係，選擇以車輪轉動所形成的周期振動為主要激勵源，綜合利用路況引起的隨機振動，並使迴轉過程中的離心力與主要激勵耦合，形成了多項具有自適應能力的新型壓電發電裝置專利結構；②研究了單個雙晶片壓電振子的多階彎曲模態複合、彎曲與扭轉模態複合等發電方案，在汽車低於120km/h對應的17Hz以下的轉動頻率區間，獲得了傳統壓電懸臂樑發電裝置1.4倍以上的發電能力，同時採用多電極與全橋整流混合連線的方式，使其在上述頻率區間內都能獲得7.5V以上電壓，具備了持續充電能力。③提出了發電裝置能量轉換的物理模型，基於歐拉伯努利梁和線性壓電本構關係假設，利用哈密頓原理建立了換能系統的機電耦合動力學模型，並藉助瑞利-里茲法進行了數值計算與仿真，分析並揭示壓電俘能器結構、尺寸及壓電材料的材料參數對能量捕獲能力與效率的影響規律，在此基礎上形成了一種將彈性力作用在懸臂樑上形成非線性結構的發電方案，獲得了在整個低頻區間提高振動能量捕獲量和捕獲效率的方法，進而確定了對應的壓電俘能器結構、信號處理電路與安裝方式，給出了最佳化設計的依據；④進行系統的小型化、集成化設計，製作兩類20餘套樣機。通過上述工作，從理論與試驗兩方面說明利用壓電換能裝置將汽車行駛中輪轂的複雜振動轉化為電能以實現電子裝置自供電是可行的，本工作為複雜環境條件下的分散式感測器自供能提供了一種新的方法。
