一种路面压电能量采集系统及评价方法与流程

1.本发明涉及里面能量采集的技术领域，特别涉及一种路面压电能量采集系统及评价方法。


背景技术：

2.路面在服役期内承受千万次以上车辆轴载作用，产生海量机械能，这些外力做功最终以热能的形式耗散。而通过将压电能量采集系统与路面集成，能够将部分路面形变能转变为电能，实现机械能的回收利用。压电能量采集技术具备外界环境干扰小、全天候、能量密度高和无污染等技术优势，将是绿色道路、智能感知道路关键驱动技术。
3.随着压电能量采集技术的发展，研究者提出了桥式、钹式、叠柱式、悬臂式、双端固定式等换能器结构，并且对压电换能器的结构形式、材料组分、外部封装结构的几何设计、材料选择进行优化设计，并且采用室内缩尺实验、足尺实验、场地测试等尺度实验方法开展压电能量采集系统的性能测试与评估。
4.由于压电装置研发成本高、周期长，基于材料测试系统(mts)、轮辙仪和小型加速加载测试(mmls3)仍是主流研究方法。研究者通过采用压力机和小型加速加载试验设备测试压电能量采集装置的结构强度和电学疲劳性能；通过采用材料测试系统(mts)、轮辙仪(rut instrument)等设备模拟车辆荷载，研究不同荷载条件下压电能量采集装置的力学性能和电学性能。但是，压电能量采集装置力学和电学性能测试与评价尚未有统一的测试和评价方法，不同测试工况和实验条件计算的能量转换效率和结构性能往往难以对比，限制了路面压电能量采集技术的发展。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种路面压电能量采集系统及评价方法，标准的压电装置的电学、力学和机电耦合性能评价方法，能够有效降低压电能量采集装置测试成本、缩短了压单能量采集装置研发周期。为了实现本发明的上述目的和其他优点，提供了一种路面压电能量采集系统，包括：
6.压电能量采集装置、能量管理电路及能量存储装置；
7.所述压电能量采集装置包括外部封装壳体、设置于所述封装壳体内的内部压电单元及整流电路，所述外部封装壳体包括顶板及与所述顶板连接的基座，所述顶板的上表面通过刻槽工艺开设有多个等间距的横向刻槽，所述基座的侧壁上开设有多个刻槽。
8.优选的，所述基座内开设有限位槽，所述限位槽开设有用于保护和固定压电单元、整流电路和导线的刻槽。
9.优选的，所述压电单元包括叠柱式单元、桥式单元或悬臂式单元，所述压电能量采集装置至少包括两个压电单元，多个压电单元之间并联连接，且多个所述压电单元对称设置于外部封装壳体内。
10.优选的，还包括压电换能器及与所述压电换能器电信号连接的全桥整流器，所述
压电单元的材料采用压电陶瓷材料pzt-5h。
11.优选的，所述能量管理电路用于为dc-dc变换优化的标准能量收集电路；所述能量存储装置采用超级电容。
12.一种用于评价路面压电能量采集系统的方法，包括以下步骤：
13.s1、根据路面能量采集系统的路用性能要求获得压电能量采集装置的技术要求；
14.s2、通过将压电装置的技术要求分解为协同性能要求、机电转换性能要求、能量输出要求，构建出压电能量采集装置的力学性能、机电耦合性能和电学性能综合评价方法；
15.s3、通过材料测试系统和路面小型加速加载系统模拟车辆荷载，得到不同荷载条件下的力学和电学响应值；
16.s4、通过监测压电能量采集装置在模拟荷载条件下的应力、位移、电压、负载电阻，计算得到结构模量e、能量转换系数η、输出功率p
out
(t)和电压衰减率n等评价指标。
17.优选的，当采用能量转换系数η评价压电能量采集装置的机电转换性能时，依据电路基本原理和能量守恒定律，推导得到能量转换系数η、竖向荷载f(t)、竖向位移l、作用时间t、输出电压u(t)和负载电阻r
l
之间的理论表达式为：
[0018][0019][0020][0021]
式中，q1为荷载做功；q2为装置输出能量。
[0022]
优选的，当采用结构模量评价压电能量采集装置的力学性能时，依据压电能量采集装置力学本构方程，推导得到结构模量e、竖向荷载f、竖向位移l、装置厚度h和装置承压面面积s之间的理论表达式为：
[0023][0024]
式中，f为加载频率为10hz下的竖向荷载；l为装置竖向位移；s为压电装置受力面积，h为压电装置高度。
[0025]
优选的，当采用输出功率p
out
(t)和电压衰减率n来评价压电能量采集装置的电学性能时，依据压电本构方程，通过竖向压应力t(t)、压电电压系数g
33
、压电材料厚度h、负载电阻r
l
、内部电阻r
p
等参数，推导得到的压电能量采集装置的输出电压u
out
(t)、输出功率p
out
(t)和电压衰减率n的理论表达式为：
[0026][0027][0028]
[0029][0030]
式中，q为电荷；c为电容；g
33
为压电电压常数；r
p
为内部电阻；r
l
为负载电阻；u0和u’分别为电学疲劳测试前后峰值电压。
[0031]
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明的路面压电能量采集系统的性能测试与评价方法，基于材料测试系统和加速加载系统等中小尺度测试设备，通过将多个影响压电能量采集装置路用性能的关键指标进行综合评价，标准化压电能量采集装置的测试与评价方法，有效降低压电能量采集装置测试成本、缩短压单能量采集装置研发周期。更能够对比实现不同类型的路面压电能量采集装置性能，对于优化路面能量采集系统具有借鉴价值和工程指导意义。
附图说明
[0032]
图1为根据本发明的路面压电能量采集系统及评价方法的路面压电能量采集系统示意图；
[0033]
图2为根据本发明的路面压电能量采集系统及评价方法的路面压电能量采集系统评价指标体系图；
[0034]
图3为根据本发明的路面压电能量采集系统及评价方法的两种路面压电能量采集装置结构模量图；
[0035]
图4为根据本发明的路面压电能量采集系统及评价方法的机电转换性能测试示意图；
[0036]
图5为根据本发明的路面压电能量采集系统及评价方法的加速加载实验测试示意图；
[0037]
图6为根据本发明的路面压电能量采集系统及评价方法的柱式压电能量采集装置的电压波形。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
参照图1-6，一种路面压电能量采集系统，包括：压电能量采集装置、能量管理电路及能量存储装置，压电装置顶板与基座通过沉孔螺栓进行连接，并且设置填充高弹性硅胶垫片防止灰尘和水分等环境损坏；所述压电能量采集装置包括外部封装壳体、设置于所述封装壳体内的内部压电单元及整流电路，所述外部封装壳包括顶板及与所述顶板连接的基座，分别采用整板切割，保证装置结构完整性；顶板采用铝合金、不锈钢、尼龙等高强度、高韧性、耐腐蚀的材料，所述顶板的上表面通过刻槽工艺开设有多个等间距的横向刻槽，以增加装置顶面的摩擦系数，以确保车辆行驶安全，所述基座的侧壁上开设有多个刻槽，侧壁刻槽增加与路面结构界面粘结强度，实现协调变形，提升压电装置和路面结构的整体性，所述基座可择成本低、加工性能好、抗疲劳、耐腐蚀、防水的工程塑料。
[0040]
本实施例中所述的路面压电能量采集系统如附图1所示，包括压电换能器1-1、压电换能器阵列1-2；全桥整流器1-3；能量管理电路1-4；能量存储电路1-5；外接能量利用系统1-6。
[0041]
本实施例中所述压电换能器1-1可以采用但不限于柱式压电换能器、桥式压电换能器、堆叠式压电换能器等一种或多种结构。压电换能器阵列1-2在压电装置内部对称分布，可根据交通量等级和荷载条件确定组阵数量。本实施例将压电换能器与全桥整流器相连，实现先整流后并联输出能量。
[0042]
进一步的，所述基座内开设有限位槽，所述限位槽开设有用于保护和固定压电单元、整流电路和导线的刻槽。
[0043]
进一步的于，所述压电单元包括叠柱式单元、桥式单元或悬臂式单元，所述压电能量采集装置至少包括两个压电单元，多个压电单元之间并联连接，压电单元将顶板传递的竖向压力或者振动转换为电能，且多个所述压电单元对称设置于外部封装壳体内，可根据交通量等级和荷载条件确定组阵数量。
[0044]
进一步的，还包括压电换能器及与所述压电换能器电信号连接的全桥整流器，实现先整流后并联输出能量，所述压电单元的材料采用压电陶瓷材料pzt-5h。
[0045]
进一步的，所述能量管理电路用于为dc-dc变换优化的标准能量收集电路；所述能量存储装置采用超级电容，电路能够实现降低电压增加电流的作用，是一种能量收集效率与负载无关的自适应电路。
[0046]
本实施例提供一种路面压电能量采集系统的性能测试与评价方法，路面压电能量采集系统评价指标体系，如附图2所示，具体步骤如下：
[0047]
(1)通过材料测试系统和路面小型加速加载系统模拟车辆荷载，模拟荷载为荷载水平可调、加载频率可控的半波正弦荷载，对本实施例中所述压电装置结构进行加载测试。
[0048]
(2)所述的材料测试系统测试压电能量采集装置的力学性能，采用材料测试系统施加竖向正弦荷载，通过监测装置顶部竖向位移和荷载计算压电装置的结构模量。具体流程如下：
[0049]
①
将压电装置固定于材料测试系统上，将压头与压电装置顶部接触，进行稳压。
[0050]
②
通过计算机控制材料测试系统，对压电装置施加荷载水平可调、加载频率可控的半波正弦荷载；半波正弦荷载频率设置为10hz，控制装置顶部竖向压应力分别为0.5mpa、0.7mpa和0.9mpa，压头平面尺寸和装置平面尺寸相同，对应的荷载级位分别设置为20.0kn、28.0kn和36.0kn。
[0051]
③
通过监视器读取压电装置顶部竖向应力f和位移l变化曲线，通过计算压电装置的结构模量，本实施例制作的两种压电装置结构模量如附图3所示。
[0052]
(3)所述的材料测试系统测试压电能量采集装置的机电转换性能，测试设备如附图4所示。采用材料测试系统施加竖向半波正弦荷载，同时采集装置顶部竖向位移和荷载，并且采用数字示波器监测最优负载阻抗的输出电压。具体流程如下：
[0053]
①
将压电装置固定于材料测试系统上，将压头与压电装置顶部接触，进行稳压。
[0054]
②
将压电装置与可变电阻箱和数字示波器相连。
[0055]
③
通过计算机控制材料测试系统，对压电装置施加荷载水平可调、加载频率可控
的半波正弦荷载；半波正弦荷载频率设置为5hz和10hz，控制装置顶部竖向压应力分别为0.5mpa、0.7mpa和0.9mpa，则荷载级位分别设置为20.0kn、28.0kn和36.0kn。
[0056]
④
改变可变电阻箱阻值r
l
，采用示波器读取压电装置输出电压u(t)，通过计算最佳匹配负载下压电装置最佳输出能量。
[0057]
⑤
通过监视器读取压电装置顶部竖向荷载f(t)和位移l的变化曲线，通过计算力学测试系统对压电装置的做功。
[0058]
⑥
引入能量转换系数η评价压电能量采集装置的机电转换性能，计算公式采用
[0059]
(4)所述的路面加速加载设备测试压电能量采集装置的电学性能，如附图5所示。将两种结构的压电装置埋设于足尺水泥混凝土板中，板的尺寸为4.0m
×
3.0m
×
0.4m。采用mmls3加速加载设备模拟车轮荷载，具体流程如下：
[0060]
①
将压电装置埋设于路面预留槽位内，装置定位、整平，采用道钉胶处理粘结界面。
[0061]
②
将压电装置与可变电阻箱和数字示波器相连。
[0062]
③
将mmls3路面加速加载设备安装在压电装置上方，通过控制器施加荷载水平可调、加载频率可控的车轮荷载，模拟真实车辆碾压情况；实验速度设置为6m/s，胎压设置为0.7mpa。由于压电装置内部压电单元对称排律，将单侧8个压电单元并联成压电阵列，采用dpo2024数字示波器监测其负载电阻两端的电压。柱式压电装置的电压波形如图6所示。
[0063]
④
改变可变电阻箱阻值r
l
，采用示波器读取压电装置输出电压u
out
(t)。通过计算压电装置的最佳输出功率。
[0064]
⑤
采用mmls3持续对压电装置进行加载模拟路面压电能量采集系统的长期电学性能，本实施例采用十万次加载后电压衰减率n作为能量输出衰减情况的评价指标，采用计算。
[0065]
(5)根据本实施例所述步骤依次对制作的两种路面压电能量采集装置的力学性能、机电转换性能和电学性能进行测试，得到相应的结构模量图、能量转换效率图和电学性能、电压衰减图，进而获得对压电装置性能明确的认知，优选出性能优异的路面压电能量采集系统。
[0066]
一种用于评价路面压电能量采集系统的方法，包括以下步骤：
[0067]
s1、根据路面能量采集系统的路用性能要求获得压电能量采集装置的技术要求；
[0068]
s2、通过将压电装置的技术要求分解为协同性能要求、机电转换性能要求、能量输出要求，构建出压电能量采集装置的力学性能、机电耦合性能和电学性能综合评价方法；
[0069]
s3、通过材料测试系统和路面小型加速加载系统模拟车辆荷载，得到不同荷载条件下的力学和电学响应值；
[0070]
s4、通过监测压电能量采集装置在模拟荷载条件下的应力、位移、电压、负载电阻，
计算得到结构模量e、能量转换系数η、输出功率p
out
(t)和电压衰减率n等评价指标。
[0071]
进一步的，当采用能量转换系数η评价压电能量采集装置的机电转换性能时，依据电路基本原理和能量守恒定律，推导得到能量转换系数η、竖向荷载f(t)、竖向位移l、作用时间t、输出电压u(t)和负载电阻r
l
之间的理论表达式为：
[0072][0073][0074][0075]
式中，q1为荷载做功；q2为装置输出能量。
[0076]
进一步的，当采用结构模量评价压电能量采集装置的力学性能时，依据压电能量采集装置力学本构方程，推导得到结构模量e、竖向荷载f、竖向位移l、装置厚度h和装置承压面面积s之间的理论表达式为：
[0077][0078]
式中，f为加载频率为10hz下的竖向荷载；l为装置竖向位移；s为压电装置受力面积，h为压电装置高度。
[0079]
进一步的，当采用输出功率p
out
(t)和电压衰减率n来评价压电能量采集装置的电学性能时，依据压电本构方程，通过竖向压应力t(t)、压电电压系数、压电材料厚度、负载电阻r
l
、内部电阻r
p
等参数，推导得到的压电能量采集装置的输出电压u
out
(t)、输出功率p
out
(t)和电压衰减率n的理论表达式为：
[0080][0081][0082][0083][0084]
式中，q为电荷；c为电容；g33为压电电压常数；rp为内部电阻；rl为负载电阻；u0和u’分别为电学疲劳测试前后峰值电压。
[0085]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0086]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。