基于壓電效應(yīng)的路用能量收集器的研究.pdf

1、路面中存在著豐富的機(jī)械能，對(duì)路面能量進(jìn)行收集不僅符合低碳環(huán)保的理念，而且可以減少因能量累積對(duì)路面造成的損傷。本文根據(jù)路面中荷載特點(diǎn)，利用理論推導(dǎo)及仿真分析的方法對(duì)壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)及能量收集電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)搭建能量收集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了壓電能量收集器的發(fā)電性能。
　　為設(shè)計(jì)出與路面耦合特性高的能量收集器，首先對(duì)比分析了常用壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)形式并對(duì)具有高承載能力的Cymbal能量收集器的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了理論推導(dǎo)及有限元仿真

2、分析。但Cymbal結(jié)構(gòu)的固有頻率較高，故將其改進(jìn)為固有頻率較低且剛度相對(duì)合適的拱形結(jié)構(gòu)。
　　利用有限元仿真的方法分析了幾何參數(shù)對(duì)能量收集器輸出電壓及結(jié)構(gòu)固有頻率的影響規(guī)律及在動(dòng)態(tài)荷載作用下輸出電壓、電流及功率與負(fù)載阻抗和振動(dòng)頻率的關(guān)系。結(jié)合有限元分析的結(jié)果確定了最優(yōu)的拱形能量收集器結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　為將壓電能量收集器產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，設(shè)計(jì)了具有升降壓功能的能量收集電路，并分析了其工作過(guò)程，對(duì)其輸出電壓、電感電流及輸

3、入電阻進(jìn)行了理論推導(dǎo)并利用Matlab中Simulink模塊對(duì)能量收集電路進(jìn)行了仿真分析。得到占空比、開關(guān)頻率及電感值對(duì)輸出電壓的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)并制作了能量收集電路。
　　根據(jù)仿真結(jié)果及路面荷載特點(diǎn)，研制了不同結(jié)構(gòu)的拱形壓電能量收集器樣機(jī)，用實(shí)驗(yàn)研究的方法分析了環(huán)境荷載、外加負(fù)載阻抗及幾何參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響規(guī)律。當(dāng)環(huán)境荷載大小為10N，頻率為15Hz，最佳負(fù)載阻抗匹配為100k時(shí)，單個(gè)拱形壓電能量收集器產(chǎn)生的最大電功率達(dá)到了61