汽車振動能量電磁發電裝置的製作方法
2024-01-22 02:22:15 1
專利名稱：汽車振動能量電磁發電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種汽車車載發電的裝置系統，特別是一種汽車振動能量電磁發電裝置。
背景技術：
汽車電子與電氣裝置在整車成本中的比重日益增大，有的車輛已達到30％以上，甚至50％，預計將來會到60％～70％。車上電控裝置的CPU多達幾十個。目前來看，這些裝置所需電能都由發動機輸出的機械能轉換而來。通常是發動機曲軸通過皮帶傳動驅動電磁發電機發電，通過整流和穩壓輸出，一方面給蓄電池充電，另一方面給汽車上的所有用電負載供電。這樣降低了發動機到傳動系統的能量。
目前實用的發電方法是金屬線圈切割磁力線產生感應電動勢和電流，從而輸出電能的電磁發電方法。磁場由永磁鐵產生或線圈勵磁產生，前者結構簡單，磁場強度固定且大小受限；後者結構複雜但磁場強度可控。線圈和鐵芯共用，鐵芯提高了導磁率和電磁轉換效率。
還有一種基於正壓電效應的壓電發電方法，壓電材料是它們的核心工作物質。20世紀60年代末，中國科學院上海矽酸鹽所和上海精密醫療器材廠合作研究壓電手提式X光機電源，成功地獲得Umax＝60kV，Imax＝3mA的直流高壓。目前基於壓電發電的報導較多，主要如下。Charles G.Triplett申請的美國專利US.No.4504761，題目是「安裝在車輛上的壓電發生器」，公開了配置在車輛輪胎上的壓電發生器，該裝置利用車輪轉動期間施加到輪胎上的壓力產生電能。金東局申請的中國發明專利CN 1202014A，題目是「具有連到振動源的壓電元件的壓電發生器及其製造方法」，公布了一種利用車輛發動機機械振動能產生電的壓電發生器。曹秉剛申請的中國發明專利CN1603155A，題目是「汽車振動能量壓電發電方法及其系統」，公布了一種利用車輛懸掛系統機械振動能產生電的壓電發生器。
發明內容
本實用新型的發明目的在於，設計一種汽車振動能量電磁發電的裝置系統，將電磁發電裝置(發電單元)與汽車懸掛系統並聯，利用振動能量產生電能，並作為一種電力供應加以存儲和利用。本實用新型提出的汽車振動能量電磁發電的裝置系統是一種收集耗散能量的新型發電技術裝置，為汽車提供了新的能量來源，具有顯著的經濟價值和社會價值。
為了實現上述目的，本實用新型將至少一個電磁發電裝置與汽車懸掛系統並聯，將汽車的振動能量轉化成電能；再將產生的電能由電力變換單元進行調整和變換後由儲能裝置或用電負載接收，並對電能進行存儲或利用。
本實用新型所述的電力變換單元包括控制模塊和功率模塊，由控制模塊發出指令，功率模塊接收並執行指令，對電能的產生、存儲和利用加以控制；電力變換單元調整和變換後的電能由儲能裝置接收時，電力變換單元對儲能裝置的充電電壓和電流進行控制；電力變換單元調整和變換後的電能由最終用電負載接收時，電力變換單元對最終用電負載的供電電壓和電流進行控制。
本實用新型所述的電力變換單元對電能的調整和變換包括以下步驟整流過程，將壓電材料產生的交流電變為直流電；DC/DC變換過程，對上面產生的直流電進行電壓和電流變換。汽車振動能量電磁發電裝置系統包括至少一個與汽車懸掛系統並聯的電磁發電裝置，用於將振動能量轉換為電能；一個電力變換單元，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用於調整和轉換電磁裝置產生的電能，並將電能用於儲能裝置或最終用電負載；控制模塊通過對功率模塊的功率元件進行控制，使振動能量轉化成電能，並為儲能裝置存儲或最終用電負載利用；一個儲能裝置或最終用電負載，用於存儲和利用電力變換單元調整後的電能。
本實用新型涉及的裝置系統包括殼體、磁體(永磁鐵或勵磁線圈)、線圈、鐵芯、芯軸、車體、懸掛系統、車橋和振動彈簧等，殼體內腔中圍繞芯軸對稱性由內向外分別制有磁體、線圈和鐵芯，磁體固定於芯軸四周並隨芯軸移動於線圈之中，按電磁感應發電機理構成發電單元，發電單元與汽車原有的懸掛系統並聯制於車體和車橋之間，當車橋隨汽車彈簧上下振動時，帶動發電單元的芯軸移動使線圈形成相對運動切割磁力線而產生感應電能；發電單元與電力變換單元電連通，實現感應電能的轉換，形成可供採用的常規電量；電力變換單元採用常規的整流、濾波、控制器及光電隔離電路。
電力變換單元的功率模塊包括全橋整流和DC/DC變換器，全橋整流和發電單元的電能輸出端相連，便於將電磁感應產生的交流電轉換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流連接，用於調整全橋整流輸出的電壓和電流；功率開關器件在DC/DC變換器中，用來執行控制信號傳達的指令。
電力變換單元的控制模塊包括傳感器、濾波電路、控制器和光電隔離電路，均採用常規的技術原理和工藝電學連通構成，通過中介元件傳感器和光電隔離電路傳遞電信號並實現控制功效。
本實用新型的應用時可以為機動車輛提供新的電能量來源，將以往未加以利用的車輛振動能量採集並加以利用，可以達到節能效果。
圖1是本實用新型的裝置系統結構原理示意圖。
圖2是本實用新型的電力變換單元之功率模塊的電路原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型作進一步的詳細描述。
本實用新型的技術方案的技術路線是在車輛懸掛系統7的車體6和車橋8之間並聯至少一個電磁發電裝置。
本實用新型涉及的電磁發電裝置由殼體1、磁體2、鐵芯3、線圈4、芯軸5、車體6、懸掛系統7、車橋8和彈簧9組成，芯軸5與磁體2結構對應固連後安裝在車橋8上側，並隨車橋8上下振動，芯軸5可以製成圓柱形或平板形，如為圓柱形則磁體2為圓環體套在它的外面，如為平板形則磁體2為片狀貼在它的外面。鐵芯3外纏繞金屬線圈4並一同固定在殼體1上，殼體1頂端與車體6固連，殼體1和芯軸5隨車體6與車橋8作相對運動時，線圈切割磁體2產生的磁力線，產生感應電動勢和電流，對外輸出電能。
電力變換單元對電能的調整和變換包括以下步驟整流過程是將發電單元產生的交流電變為直流電；DC/DC變換過程是對整流過程產生的直流電進行電壓和電流變換；變壓過程是當發電單元產生的電壓過高時，在整流過程前先進行降壓處理，將電壓降低到整流元件所能耐受的電壓範圍。
電力變換單元包括功率模塊和控制模塊。電力變換單元的功率模塊的電路原理圖採用常規的技術和元器件組合成電連通電路。該電路由整流和DC/DC變換兩大部分組成，整流器的輸入端和發電單元的電能輸出端子相連。整流器採用全橋整流電路，由4個二極體D1、D2、D3和D4構成，整流器的輸入端和發電單元的電能輸出端子電相連。DC/DC變換器的輸入端和全橋整流的輸出端連接。DC/DC變換器由電感L1、電容C、功率開關器件K1和續流二極體D5組成，實現按斬波方式工作的降壓電路。DC/DC變換器的輸入端和全橋整流裝置輸出端連接。功率開關器件K1採用IGBT IPM智能功率模塊，模塊內含有IGBT必需的驅動和保護電路。
電力變換單元的控制模塊由電流傳感器、電壓傳感器、濾波電路、微處理器和光電隔離電路按常規技術原理和工藝加工製成，屬本實用新型的外圍電路。微處理器採用TI公司DSP晶片TMS320LF2407。電壓傳感器採用電流型電壓傳感器，電流傳感器採用電流型電流傳感器。電流電壓傳感器用來採集DC/DC變換器輸出端的電壓和電流信號，經濾波電路處理，送至DSP的A/D埠進行數據採集，採集結果經DSP處理後，以PWM的形式輸出控制信號。PWM信號經由光電隔離電路，送至智能功率模塊IPM的控制端，對功率管K1的開關狀態進行控制。信號採集和控制頻率為1～2kHz；PWM調製頻率範圍為10kHz～20kHz。濾波器採用典型的由運算放大器搭建的濾波電路，光電隔離電路由光電耦合器實現。控制模塊所需的各種電平由車載蓄電池經普通DC/DC開關電源提供。
本實用新型的電力變換單元向儲能裝置充電，儲能裝置為鉛酸蓄電池VD。
具體工作原理是汽車運行過程中，發電單元輸出端產生感應電壓。當電壓的絕對值高於整流器右側的電容器C電壓時，壓電元件VS向電容C充電；否則，壓電元件VS為開路。在電力變換單元中，控制模塊通過對傳感器信號的採樣值，進行對PWM信號佔空比的調節。當佔空比增大，功率管導通時間增長，即充電時間增長，電容C的端點壓下降，壓電元件VS向電容C充電的導通電壓降低；當佔空比減小，功率管導通時間減少，即充電時間減少，電容C的端點壓上升，壓電元件VS向電容C充電的導通電壓升高。通過PI控制算法，可以讓電池VD兩端的充電電壓維持在某一設定值，而該設定值可以通過試驗或自適應算法加以設定。設定該值的原則是使更多的振動能量轉化為電能。電感L1和D5可以在功率管K1斷開時和蓄電池VD構成續流迴路，繼續向電池充電。通過對蓄電池充電電壓和充電電流進行的檢測，當蓄電池已充滿時，控制器停止對蓄電池進行充電。
權利要求1.一種汽車振動能量電磁發電裝置，包括殼體、磁體、線圈、鐵芯、芯軸與車體、懸掛系統、車橋、彈簧，其特徵在於殼體內腔中圍繞芯軸對稱性由內向外分別制有磁體、線圈和鐵芯，磁體固定於芯軸四周並隨芯軸移動於線圈之中構成發電單元，發電單元與汽車原有的懸掛系統並聯制於車體和車橋之間，發電單元的芯軸移動使線圈形成相對運動切割磁力線而產生感應電能；發電單元與電力變換單元電連通。
2.根據權利要求1所述的汽車振動能量電磁發電裝置，其特徵在於芯軸與磁體結構對應固連後安裝在車橋上側；鐵芯外纏繞金屬線圈並一同固定在殼體上，殼體頂端與車體固連。
3.根據權利要求1所述的汽車振動能量電磁發電裝置，其特徵在於芯軸外套制圓環形磁體，或芯軸外側貼製片狀磁體。
專利摘要本實用新型涉及一種汽車振動能量電磁發電裝置，包括殼體、磁體、線圈、鐵芯、芯軸、車體、懸掛系統、車橋和振動彈簧等，殼體內腔中圍繞芯軸對稱性由內向外分別有磁體、線圈和鐵芯，磁體固定於芯軸四周並隨芯軸移動於線圈之中，按電磁感應發電機理構成發電單元，發電單元與汽車原有的懸掛系統並聯制於車體和車橋之間，汽車彈簧上下振動帶動發電單元芯軸移動使線圈形成相對運動切割磁力線而產生感應電能；發電單元與電力變換單元電連通，實現感應電能的轉換形成常規電量；電力變換單元採用常規的整流、濾波、控制器及光電隔離電路。本實用新型原理可靠，結構簡單，製作加工技術成熟，具有節能功效，並可實現汽車自身變電自控功能。
文檔編號H02J7/14GK2896674SQ200620081818
公開日2007年5月2日 申請日期2006年3月16日 優先權日2006年3月16日
發明者張鐵柱, 張洪信, 張翼 申請人:青島大學