车载环境下跷跷板型压电能量回收装置研究.pdf

262023年第16 期车载环境下跷板型压电能量回收装置研究王兴，张钊，张坤，徐廷廷（太原学院机电与车辆工程系，山西太原0 30 0 32）摘要：针对新能源汽车在行驶中产生的振动能量，提出一种车辆轮胎振动能量回收装置。引入白噪声激励，获得路面不平度曲线，并建立车身四分之一系统振动模型，发现当车速为6 0 km/h时，C级路面的车身垂直位移与加速度均方根值分别达到34.6 mm和5.6 1m/s。设计了一种基于跷跷板型压电振子的车辆轮胎振动能量回收装置，仿真结果表明，当垂直加速度载荷为5.6 1m/s时，压电振子固定块两侧弯曲变形时的最大应力分布导致最优的发电性能，电压达到2 0.59V。通过汽车轮胎形变，将振动能量直接转化为电能，无需消耗其他能源，可靠性高、节能环保。关键词：新能源汽车；节能环保；振动能量；压电振子；路面不平度；形变中图分类号：U469.72十2Research on Seesaw Type Piezoelectric Energy RecoveryDevice Under the Vehicle EnvironmentWang Xing,Zhang Zhao,Zhang Kun,Xu Ting-ting(Department of Electromechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University,Taiyuan 030032,China)Abstract:A vibration energy recovery device applied to vehicle tire was proposed because of the vibration en-ergy produced by new energy vehicles during driving.The white noise excitation was introduced to obtain theroad roughness curve,and the vibration model of vehicle quarter system was established.It is found that the rootmean square of the vertical displacement and acceleration of the vehicle body on Class C road reached 34.6 mmand 5.6l m/s respectively when the vehicle speed was 60 km/h.A vehicle tire vibration energy recovery devicebased on a seesaw piezoelectric vibrator was designed.The simulation results show that when the vertical accel-eration load was 5.61 m/s2,the maximum stress was generated on both sides of the fixed block of the seesaw pi-ezoelectric vibrator during bending deformation,and the maximum voltage reached 20.59 V.Through the de-formation of automobile tires,the vibration energy is directly converted into electric energy,which show high re-liability,energy conservation and environmental protection without any consumption.Key words:New energy vehicle;Energy conservation and environmental protection;Vibration energy;Pie-zoelectric vibrator;Road roughness;Deformation1引言新能源汽车拥有低排放、高效、低噪声等优势，已成为当下汽车领域的研究主流，也是响应“碳中和”政策的有力举措。但随着经济技术的飞速发展与人们需求的不断提高，其续航里程短、充电时间长、动力不足等问题随之凸显，阻碍着新能源汽车的长足发展2 。相比提高电池能量或完善充电设施，有效回收车辆在行驶过程中产生的振动能量更易实现,逐渐成为应对电动汽车续航能力弱的可靠途径之一1。能量回收结构有多种形式，包括机械式、液压式、电磁式、压电式等。卢有为等4研制了一种复合型悬臂梁结构，通过多种长度不一的悬臂梁，在不同的振动频率下可进行能量回收，并制作了振动能量回收装置。而单液压式(或静液储能式)能量回收装置以传统的液压减震器为基础，将车辆在行驶过程中产生的动能转换为液压传动装置所需的液压能，虽然具有运行稳定的优势，但应用成本高，加工制造精度要求高5。液电式能量回收装置集机械、液压和电气系统于一体，在车辆行驶过程中，通过整流桥，将活塞往复运动的能量传递至液压马达，进而驱动发电机发基金项目：山西省教育厅高等学校科技创新基金项目（2 0 2 2 L580）；山西省科技厅基础研究计划青年基金（2 0 2 2 0 30 2 12 12 0 17）作者简介：王兴（198 7 一），男，河北张家口人，汉族，讲师，博士，车辆振动能量回收。文献标识码：A文章编号：16 7 4-957 X(2023)16-0026-04电。该装置同时具备液压结构灵活与电磁驱动高效的优点，但结构复杂且对装置密封性有较高要求。压电钙钛矿材料可将外界激励转变为电能，实现废弃能量回收利用，在车辆振动能量回收装置研发中展现出广阔的应用前景6.7 。陈龙等设计开发了一种用于轮胎报警器的压电自供电结构，通过收集车辆振动产生的能量，为多组件报警系统提供电能，取代了传统的电池供电技术，为新型汽车轮胎压力监测系统传感器件设计提供了重要参考8 。Ericka等基于圆盘形压电振子，设计了一种能量回收装置，发现当施加负载加速度为2 g时，该装置存在特定的共振频率,最高输出电压达到2 4V,最大输出功率为1.8 mW,并对能量回收效率影响因素进行了探索分析9。WuX等利用聚偏二氟乙烯(PVDF)材料，并使用3D打印技术制作了一个小型能量俘获机原型，在性能测试实验中，当实车速度为2 5.7 115.4km/h时，结构产生的峰值电压达到4.6 VI10)。张恩惠等针对电动汽车在不同路面行驶时的能量回收问题，基于正压电效应,研发了一种安装在减振器内部的压电发电装置1。但此装置内燃机与配件需同时考虑减振液的相对密度和黏度，相对密度和黏度越2.2路路面不平度的建模与仿真大，其发电能力与效率就越大。该团队还设计了一种单层根据功率谱密度数学模型，选择Matlab/Simulink软件内压电悬臂梁结构，通过在自由端施加3mm的位移载荷，合适的运算模块建立道路不平度时域模拟模型，如图1所示。在压电片边缘获得了3V的最大电压12 。谢涛等利用串联谐振原理，开发了多压电悬臂振子VEH结构，结果表明多固支梁压电振子谐振范围达到56 一6 6 Hz,在一定程度上提升了发电量13。袁天辰等利用火车振荡动能，在滑轨下置放具有鼓型振子结构的压电器件，并在不同车速下进行发电性能测试与模拟，结果保持一致14。但压电振子的嵌人给滑轨的拆换与维护带来不便。总体来看，现阶段基于压电材料的车辆振动能量回收装置研究仍然处于探索与试验环节，紧凑型结构发电性能弱、效率低，而提高发电性能又将使结构复杂，难以融合应用。因此进一步设计开发易于实现的车辆振动能量回收装置，对回收废弃能量尤为关键。另一方面，作为汽车舒适性的重要指标，路面不平度是影响汽车平顺性的一个重要因素15.16 。建立路面不平度模型，分析车辆垂直方向上的加速度变化，将为合理设计压电振动能量回收结构提供可靠的运算依据。要对道路不平度进行仿真模拟，研究车一路面关系，需要对车辆行驶过程中的随机振动进行仿真，只有得到准确的路面不平度信息，才能确定车辆运行状态。在分析路面不平度时，有多种数学模型可供使用。离散时间随机序列生成法通过路面不平度有理函数，形成离散时间随机序列的功率谱密度，进而建立路面不平度时间离散模型。该方法虽易于实现和操作，但模拟精度对所取随机数有较大依赖性。Fourier逆变换法运算速度快、仿真准确度高、操作简单，常应用于四轮路面不平度模拟，结果与给定频谱密度相符。Poisson法一般选用正弦函数，针对比较复杂的随机路面条件，且模型频率大于一定数值时，能较好地逼近目标谱密度，但当频率较低时效果差，运算精度低，不便应用。线性滤波白噪声法通过将随机变量提取为白噪声，并适当转换从而模拟出路面随机不平度的时域序列。该方法计算量较小、精度高，得到广泛应用。本研究首先基于白噪声，获得路面不平度曲线，通过Matlab/Simulink构建车身四分之一振动系统模型，得到不同车速与路面等级下的车身垂直位移与加速度。将其作为边界载荷输入设计的压电振子结构，仿真研究车辆轮胎振动能量回收装置发电性能。2随机路面平整度模型2.1随机路面数学模型借助白噪声随机路面生成法，在一个随机过程中其值为常数时，道路功率谱密度的数学模型的建立如下：G,(n)=G,(no)G（n)是位移功率谱密度,G（n。）是参考空间频率,n为空间频率，no为参考空间频率，代表频率指数。此外，车速也是研究汽车振动的关键因素之一，如下所示：(2)f代表时间频率，代表车速。当频率指数w=2时，得到时间频率下的路面不平度位移功率谱密度为：G,(n)=G,(no)()-G,(n)27工作空间百噪声示波器图1路面不平度时域模型车速30 km/h、6 0 k m/h 下对B、C 级道路的功率谱密度进行仿真分析。对B级路面，G（n o）=6 410-m;C级路面,G（n o）=2 56 X 10-m。取no=0.1m-,得到基于白噪声的路面不平度曲线如图2 一图5所示。0.04F30km/h、B级路面0.030.020.010-0.01-0.02-0.030图230km/h、B级路面不平度0.0830km/h、C级路面0.060.040.020-0.02-0.04-0.060图330km/h、C级路面不平度60km/h、B级路面0.040.02-0.02-0.040图46 0 km/h、B级路面不平度(1)60km/h、C级路面0.080.04/0f=un0.04-0.080(3)图56 0 km/h、C 级路面不平度555510时间/s1015时间/s1015时间/s1015时间/s15202020202525252528由图可知,车速为30 km/h时,B级路面的不平度变化在一2 8.8 十35.8 mm范围内波动,C级路面的起伏幅度在一6 1.5十7 3.2 mm之间；当车速为6 0 km/h时,B、C 级路面起伏分别在一39.1十40.8 mm、一7 8.0十8 1.5mm范围内。汽车车速不变的情况下，随着路面等级的提高，路面不平度显著增加。路面等级一定的情况下，随着汽车车速的提高路面不平度值逐渐增大。2.3汽车四分之一振动系统建模与仿真分析当车辆悬挂质量分配系数近似值为1时，前后悬架竖向振动基本保持独立，此时可将四个自由度的车辆振动系统简化成二自由度振动。假定平衡位置为坐标原点，地面输人的激励为Q,车轮与车身垂直位移的坐标为z1、2，车轮与车身质量分别为mi、m 2，阻尼系数和等效刚度分别为C、K,构建的运动学微分方程为1：m222+C(z2-21)+K(z221)=0m+C(-)+K(z-z)+K(z)=0(5)将2.2 节得到的在不同道路级别、不同车速下的道路不平度与上述微分方程相结合，构建车辆二自由度振动四分之一系统Simulink模型，如图6 所示。汽车正常行驶过程中，轮胎胎压弹性变形几乎可以不计，因此将车身在垂直方向的跳动近似为车内地板的垂直位移。在车速为30 km/h、6 0 k m/h下，仿真分析得到了B、C 级路面下的车身垂直位移与垂直加速度。图7 和图8 所示分别为30 km/h、B级路面下的车身垂直位移与加速度随时间变化规律。表1列出了不同车速与路面等级下的车身垂直位移与加速度均方根值。图6 汽车二自由度振动四分之一系统模型0.040.030.01-0.0140.02-0.030图7 30 km/h、B级路面下的车身垂直位移864246-80图8 30 km/h、B级路面下的车身垂直加速度2023年第16 期30km/h、B级路面30km/h、C 级路面60km/h、B级路面60 km/h.C级路面由表1及图7、图8 可知，当车速保持不变，路面等级由B级变为C级时，车辆纵向位移与垂直加速度均提高1倍。而保持路面不平度系数不变，当车速由30 km/h提升至6 0km/h时,B.C级路面下的车身纵向位移分别提高12.3%和12.0%，车身垂直加速度则分别提升41.9%和41.3%。以上分析表明,车身纵向位移的变化受路面等级影响较大，对车速敏感度较小，而车身垂直加速度对路面等级与车速均有很大的依赖性。由于中国路面情况的不断改善，存在大幅度振动状态的路面较少，主要是AC 范围内。汽车在实际行驶(4)过程中路面复杂，路况不均匀，车速不稳定,综合以上数据可以得到汽车地板垂直方向的加速度与位移变化，为压电振动能量回收装置的仿真提供准确的运算数据。3振动能量回收装置设计与模拟3.1车辆轮胎振动能量回收装置及工作原理设计了一种基于压电材料的车辆轮胎振动能量回收装置，其安装方式及结构示意如图9所示。该装置包括具有弹性的橡胶壳体,其底部为开口的球形结构，并与轮辋相连接，其顶部与轮胎内壁相接触。橡胶壳体的腔体内设置有固定块，其底端与轮辋相连，顶端与压电装置相连接。压电装置设计成跷板型压电振子结构，包括金属基板和工作空间口波器示波器相对动载荷示波器车身垂直位移示波器车身装五加速度示波器架动行程30km/h，B级路面510时间/s30km/h、B级路面510时间/S表1车身垂直位移与加速度均方根值垂直位移（mm）15.430.917.334.6在其上下两侧粘结的压电片，并通过弹簧与受力传导件相连接，其中受力传导件包括顶柱和横板，顶柱的上端与橡胶壳体内壁相连，且与轮胎内壁相邻，其下端与横板上表面相连接，横板的下表面与弹簧相连接。汽车行驶过程中，由于路面不平度导致轮胎受压变形，橡胶壳体与轮胎内壁相接触，因此在轮胎的作用下橡胶壳体也产生变形。随之，顶柱向下压缩横板，并带动两侧弹簧压缩，由于弹簧有恢复原长的趋势，导致金属基板向下压缩变形，压电片产生电能。其中固定块起到支撑与固定作用。曾有研究报道在振动装置冲击杆两侧制作PVDF悬臂梁以提高形变并抵抗冲击载荷，而能量采集器发电是通过在固定制动卡钳上安装钕铁硼磁体，在外部磁场作用下，悬臂梁摆动而产生电能14。与其相比，本研究采用金属基板及其上下两侧粘结PZT压电片形成压电振子结构，并通过弹簧与受力传导件相连接，结构更为紧凑。15201520垂直加速度（m/s2）1.983.972.815.6125虽然压电陶瓷属于脆性晶体，在随机车载条件下，汽车轮胎处于不断变化的振动环境中，但本装置安装方式的选取，也可避免压电振子在剧烈振动变化中出现脆性断裂。25图9车辆振动能量回收装置结构图顶柱横板弹簧金属基板压电片橡胶壳体固定块轮辋内燃机与配件3.2压电发电性能分析子固定块两侧产生的应力最大，在C级路面下的最高电压为采用有限元分析软件Comsol,对设计的跷跷板型压20.59V。将压电材料应用到轮胎中，在汽车行驶过程中，随电振子结构进行发电性能模拟，压电振子结构参数与材料着轮胎的压缩运动，转化为对压电材料的挤压，实现了机械性能参数如表2 所示。在质量块底端添加固定约束，跷跷能与电能的转化,达到了对振动能量回收的目的。板两端分别施加沿厚度方向的加速度载荷，得到不同车速参考文献：与路面等级下压电振子的发电性能如表3所示。1Youngs J M,Luedu T,Morris DJ,et al.A model for表2 压电振子结构参数与材料性能参数an extensional mode resonator used as a frequency-ad-结构参数(mm)性能参数名称弹性模量/密度/泊松长度宽度厚度材料GPa压电片200金属基板260300.5固定块3030表3不同车速与路面等级下的压电振子结构垂直加速度与发电性能车速(km/h)路面等级车身垂直加速度（m/s）30B30C60B60C由表3所示的模拟结果可知，当汽车以30 km/h的车速行驶于B级和C级路面,即在自由端分别施加1.9 8 m/s和3.9 7 m/s的垂直加速度时，蹊跷板型压电振子产生的最大电压分别为7.12 V和14.2 3V；当车速提升至6 0km/h,其最大发电电压分别达到10.17 V和2 0.59 V,较30km/h车速下的发电性能提高43%和45%，表明压电振子发电性能对路面等级、车速的依赖性与车身垂直加速度保持一致。与WuX等报道的车速为115.4km/h时产生的峰值电压（4.6 V)相比，本装置发电性能显著提升。图10 所示为C级路面、车速6 0 km/h条件下的压电振子结构电势云图与应力云图。由图10(a)可知，最大电压产生于靠近固定块的两侧，压电振子发电能力取决于结构弯曲变形时的应力分布，图10(b)表明，当施加5.6 1m/s的垂直加速度载荷时，固定块两侧的压电片产生的应力最大，因此产生的电压最高。(a)1000(b)0图10 车速6 0 km/h、C级路面下的压电振子结构模拟结果：(a）电势云图；(b）应力云图4结论1)通过Matlab/Simulink构建车身四分之一振动系统模型，获得不同车速与路面等级下的车身垂直位移与加速度。当车速为6 0 km/h时，C级路面的车身垂直位移与加速度均方根值分别为34.6 mm和5.6 1m/s，相比30 km/h，其车身纵向位移提高12.0%，垂直加速度提升41.3%。2)设计了一种车辆轮胎振动能量回收装置。有限元仿真发现，当垂直加速度载荷为5.6 1m/s时，跷跷板型压电振29justable vibration energy harvester J,Journal ofSound and Vibration,2010,329:277-288.(kg/m3)比300.5PZT-5HNi101.983.972.815.61多切面：电势(M)20060km/h、C级路面表面：vonMises应力（N/m)30mm2000mm-5mm10060km/h、C级路面2洪毓锋，李军求，孙超新能源汽车的智能化发展与6075000.3621989000.31最大电压(V)7.1214.2310.1720.5930mm0-5mm1510-5-10 x10%3.5m21.50.5趋势J，汽车文摘，2 0 19，（0 8）：14-2 1.3K a n d a K,H ir a i S,Fu jita T,e t a l.Pie z o e le c tr icMEMS with multilayered Pb(Zr,Ti)O3 thin films forenergy harvestingJ,Sensors and Actuators A:Phys-ical,2018，2 8 1:2 2 9-2 35.4卢有为复合型悬臂梁压电俘能器理论与实验研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 0 9.5张一鸣，乔德智，高俊侠，Halbach阵列永磁体的研究现状与应用J，分析仪器，2 0 10，2：5-7.6Baek S,Park J,Kim D,et al.Giant piezoelectricity on Sifor hyperactive MEMSJ,Science,2011,334:958-961.7龚俊杰，阮志林，李康超，等新型多层悬臂梁压电发电装置发电性能研究J，机械工程学报，2 0 14，50(5):135-140.8陈龙用于轮胎报警器压电自供电结构的设计与分析D.吉林大学，2 0 14.9JMickael L.Frequency Self-tuning Scheme for Broad-band Vibration Energy HarvestingJ.Journal of In-telligent Material Systems and Structures,2010,21(9):897-906.1oWu X,Parmar 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