车轮振动压电俘能系统设计理论及其应用技术研究

A kind of new technoloy and equipment for automobile tire pressure alarm which is supplied by self-power without the use of batteries is presented in this research project, based on the research of piezoelectric energy generation, harvesting and conversion under the vibration form of the vehicle wheel hub in motion. The sensing and transmission unit of automobile tire pressure are drived by the energy generated from piezoelectric ceramic.By means of test and theoretic analysis, the various vibration modes and main feature are obtained, the relationship between vibration modes (such as: the radial and tangential vibration or other motion) and all kinds of external factors (including pavement condition, speed, turning inertia, environment temperature etc) is ascertained,and the method will be found to increase the amount of vibration energy harvesting and efficiency. Through the establishment of physical and mathematic model, the relation between the structure of piezoelectric energy harvesting equipment, size and the amount of energy harvesting is analyzed, and the influence law of piezoelectric material parameters to the energy harvesting efficiency is revealed, which consist of electromechanical coupling factor, quality factor, dielectric constant etc. And then, the structure of the corresponding piezoelectric energy harvesting equipment, signal processing circuit and installation mode will be determined, which provides a basis for the optimization design of new equipment. The desigh work on the system miniaturization and integration will be carried out, the system prototype for automobile tire pressure alarm based on the piezoelectric energy harvesting mechanism will be manufactured.

研究汽车行驶中轮毂振动下的压电发电行为及其能量捕获与转换问题，并将其转用于对汽车轮胎气压传感发送单元的驱动，进而形成可自行供电而不使用电池的汽车轮胎气压报警新技术。通过试验与理论分析获取行驶中汽车轮毂的各种振动形态与主要特征，明确各种外部因素(如路面状况、行驶速度、转弯惯量、环境温度等) 对振动形态(如径向与切向振动、或其他运动)的影响关系；通过建立物理和数学模型分析并揭示压电俘能器结构、尺寸等与能量捕获量的关系，找出压电材料的机电耦合系数、品质因数、介电常数等参数对能量捕获效率的影响规律，获得提高振动能量捕获量和捕获效率的方法，进而确定对应的压电俘能器结构、信号处理电路与安装方式，为优化设计提供依据；进行系统的小型化、集成化设计，试制压电俘能式汽车胎压报警系统样机。

汽车轮胎气压报警系统是汽车安全领域的关键技术之一，本项目提出将压电发电装置用于其安装于轮毂上的传感发送单元的自供电。汽车轮毂具有复杂的振动特性，作为利用这一振动进行发电的压电俘能器，有大量的理论与技术问题需要解决。项目针对汽车行驶中轮毂振动下的压电发电行为及其能量捕获与转换问题展开研究，并设计系列的新型压电换能装置，具体内容包括：①通过试验与理论分析获取了行驶中汽车轮毂的各种振动形态与主要特征，明确各种外部因素对振动形态的影响关系，选择以车轮转动所形成的周期振动为主要激励源，综合利用路况引起的随机振动，并使回转过程中的离心力与主要激励耦合，形成了多项具有自适应能力的新型压电发电装置专利结构；②研究了单个双晶片压电振子的多阶弯曲模态复合、弯曲与扭转模态复合等发电方案，在汽车低于120km/h对应的17Hz以下的转动频率区间，获得了传统压电悬臂梁发电装置1.4倍以上的发电能力，同时采用多电极与全桥整流混合连接的方式，使其在上述频率区间内都能获得7.5V以上电压，具备了持续充电能力。③提出了发电装置能量转换的物理模型，基于欧拉伯努利梁和线性压电本构关系假设，利用哈密顿原理建立了换能系统的机电耦合动力学模型，并借助瑞利-里兹法进行了数值计算与仿真，分析并揭示压电俘能器结构、尺寸及压电材料的材料参数对能量捕获能力与效率的影响规律，在此基础上形成了一种将弹性力作用在悬臂梁上形成非线性结构的发电方案，获得了在整个低频区间提高振动能量捕获量和捕获效率的方法，进而确定了对应的压电俘能器结构、信号处理电路与安装方式，给出了优化设计的依据；④进行系统的小型化、集成化设计，制作两类20余套样机。通过上述工作，从理论与试验两方面说明利用压电换能装置将汽车行驶中轮毂的复杂振动转化为电能以实现电子装置自供电是可行的，本工作为复杂环境条件下的分布式传感器自供能提供了一种新的方法。