專利名稱：汽車振動能量電磁發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種汽車車載發(fā)電的裝置系統(tǒng)，特別是一種汽車振動能量電磁發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
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(yù)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(fā)動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換而來。通常是發(fā)動機曲軸通過皮帶傳動驅(qū)動電磁發(fā)電機發(fā)電，通過整流和穩(wěn)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(fā)動機到傳動系統(tǒng)的能量。
目前實用的發(fā)電方法是金屬線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，從而輸出電能的電磁發(fā)電方法。磁場由永磁鐵產(chǎn)生或線圈勵磁產(chǎn)生，前者結(jié)構(gòu)簡單，磁場強度固定且大小受限；后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜但磁場強度可控。線圈和鐵芯共用，鐵芯提高了導(dǎo)磁率和電磁轉(zhuǎn)換效率。
還有一種基于正壓電效應(yīng)的壓電發(fā)電方法，壓電材料是它們的核心工作物質(zhì)。20世紀60年代末，中國科學院上海硅酸鹽所和上海精密醫(yī)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。目前基于壓電發(fā)電的報道較多，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(fā)生器”，公開了配置在車輛輪胎上的壓電發(fā)生器，該裝置利用車輪轉(zhuǎn)動期間施加到輪胎上的壓力產(chǎn)生電能。金東局申請的中國發(fā)明專利CN 1202014A，題目是“具有連到振動源的壓電元件的壓電發(fā)生器及其制造方法”，公布了一種利用車輛發(fā)動機機械振動能產(chǎn)生電的壓電發(fā)生器。曹秉剛申請的中國發(fā)明專利CN1603155A，題目是“汽車振動能量壓電發(fā)電方法及其系統(tǒng)”，公布了一種利用車輛懸掛系統(tǒng)機械振動能產(chǎn)生電的壓電發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的發(fā)明目的在于，設(shè)計一種汽車振動能量電磁發(fā)電的裝置系統(tǒng)，將電磁發(fā)電裝置(發(fā)電單元)與汽車懸掛系統(tǒng)并聯(lián)，利用振動能量產(chǎn)生電能，并作為一種電力供應(yīng)加以存儲和利用。本實用新型提出的汽車振動能量電磁發(fā)電的裝置系統(tǒng)是一種收集耗散能量的新型發(fā)電技術(shù)裝置，為汽車提供了新的能量來源，具有顯著的經(jīng)濟價值和社會價值。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型將至少一個電磁發(fā)電裝置與汽車懸掛系統(tǒng)并聯(lián)，將汽車的振動能量轉(zhuǎn)化成電能；再將產(chǎn)生的電能由電力變換單元進行調(diào)整和變換后由儲能裝置或用電負載接收，并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(fā)出指令，功率模塊接收并執(zhí)行指令，對電能的產(chǎn)生、存儲和利用加以控制；電力變換單元調(diào)整和變換后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(diào)整和變換后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(diào)整和變換包括以下步驟整流過程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?；DC/DC變換過程，對上面產(chǎn)生的直流電進行電壓和電流變換。汽車振動能量電磁發(fā)電裝置系統(tǒng)包括至少一個與汽車懸掛系統(tǒng)并聯(lián)的電磁發(fā)電裝置，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能；一個電力變換單元，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換電磁裝置產(chǎn)生的電能，并將電能用于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(zhuǎn)化成電能，并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，用于存儲和利用電力變換單元調(diào)整后的電能。
本實用新型涉及的裝置系統(tǒng)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(tǒng)、車橋和振動彈簧等，殼體內(nèi)腔中圍繞芯軸對稱性由內(nèi)向外分別制有磁體、線圈和鐵芯，磁體固定于芯軸四周并隨芯軸移動于線圈之中，按電磁感應(yīng)發(fā)電機理構(gòu)成發(fā)電單元，發(fā)電單元與汽車原有的懸掛系統(tǒng)并聯(lián)制于車體和車橋之間，當車橋隨汽車彈簧上下振動時，帶動發(fā)電單元的芯軸移動使線圈形成相對運動切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電能；發(fā)電單元與電力變換單元電連通，實現(xiàn)感應(yīng)電能的轉(zhuǎn)換，形成可供采用的常規(guī)電量；電力變換單元采用常規(guī)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(fā)電單元的電能輸出端相連，便于將電磁感應(yīng)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流連接，用于調(diào)整全橋整流輸出的電壓和電流；功率開關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來執(zhí)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，均采用常規(guī)的技術(shù)原理和工藝電學連通構(gòu)成，通過中介元件傳感器和光電隔離電路傳遞電信號并實現(xiàn)控制功效。
本實用新型的應(yīng)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采集并加以利用，可以達到節(jié)能效果。


圖1是本實用新型的裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)方案的技術(shù)路線是在車輛懸掛系統(tǒng)7的車體6和車橋8之間并聯(lián)至少一個電磁發(fā)電裝置。
本實用新型涉及的電磁發(fā)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(tǒng)7、車橋8和彈簧9組成，芯軸5與磁體2結(jié)構(gòu)對應(yīng)固連后安裝在車橋8上側(cè)，并隨車橋8上下振動，芯軸5可以制成圓柱形或平板形，如為圓柱形則磁體2為圓環(huán)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并一同固定在殼體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(chǎn)生的磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，對外輸出電能。
電力變換單元對電能的調(diào)整和變換包括以下步驟整流過程是將發(fā)電單元產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?；DC/DC變換過程是對整流過程產(chǎn)生的直流電進行電壓和電流變換；變壓過程是當發(fā)電單元產(chǎn)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范圍。
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采用常規(guī)的技術(shù)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(fā)電單元的電能輸出端子相連。整流器采用全橋整流電路，由4個二極管D1、D2、D3和D4構(gòu)成，整流器的輸入端和發(fā)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(guān)器件K1和續(xù)流二極管D5組成，實現(xiàn)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(guān)器件K1采用IGBT IPM智能功率模塊，模塊內(nèi)含有IGBT必需的驅(qū)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(guī)技術(shù)原理和工藝加工制成，屬本實用新型的外圍電路。微處理器采用TI公司DSP芯片TMS320LF2407。電壓傳感器采用電流型電壓傳感器，電流傳感器采用電流型電流傳感器。電流電壓傳感器用來采集DC/DC變換器輸出端的電壓和電流信號，經(jīng)濾波電路處理，送至DSP的A/D端口進行數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)果經(jīng)DSP處理后，以PWM的形式輸出控制信號。PWM信號經(jīng)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(guān)狀態(tài)進行控制。信號采集和控制頻率為1～2kHz；PWM調(diào)制頻率范圍為10kHz～20kHz。濾波器采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(xiàn)。控制模塊所需的各種電平由車載蓄電池經(jīng)普通DC/DC開關(guān)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(fā)電單元輸出端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當電壓的絕對值高于整流器右側(cè)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采樣值，進行對PWM信號占空比的調(diào)節(jié)。當占空比增大，功率管導(dǎo)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(dǎo)通電壓降低；當占空比減小，功率管導(dǎo)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(dǎo)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(shè)定值，而該設(shè)定值可以通過試驗或自適應(yīng)算法加以設(shè)定。設(shè)定該值的原則是使更多的振動能量轉(zhuǎn)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(gòu)成續(xù)流回路，繼續(xù)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(quán)利要求1.一種汽車振動能量電磁發(fā)電裝置，包括殼體、磁體、線圈、鐵芯、芯軸與車體、懸掛系統(tǒng)、車橋、彈簧，其特征在于殼體內(nèi)腔中圍繞芯軸對稱性由內(nèi)向外分別制有磁體、線圈和鐵芯，磁體固定于芯軸四周并隨芯軸移動于線圈之中構(gòu)成發(fā)電單元，發(fā)電單元與汽車原有的懸掛系統(tǒng)并聯(lián)制于車體和車橋之間，發(fā)電單元的芯軸移動使線圈形成相對運動切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電能；發(fā)電單元與電力變換單元電連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車振動能量電磁發(fā)電裝置，其特征在于芯軸與磁體結(jié)構(gòu)對應(yīng)固連后安裝在車橋上側(cè)；鐵芯外纏繞金屬線圈并一同固定在殼體上，殼體頂端與車體固連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車振動能量電磁發(fā)電裝置，其特征在于芯軸外套制圓環(huán)形磁體，或芯軸外側(cè)貼制片狀磁體。
專利摘要本實用新型涉及一種汽車振動能量電磁發(fā)電裝置，包括殼體、磁體、線圈、鐵芯、芯軸、車體、懸掛系統(tǒng)、車橋和振動彈簧等，殼體內(nèi)腔中圍繞芯軸對稱性由內(nèi)向外分別有磁體、線圈和鐵芯，磁體固定于芯軸四周并隨芯軸移動于線圈之中，按電磁感應(yīng)發(fā)電機理構(gòu)成發(fā)電單元，發(fā)電單元與汽車原有的懸掛系統(tǒng)并聯(lián)制于車體和車橋之間，汽車彈簧上下振動帶動發(fā)電單元芯軸移動使線圈形成相對運動切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電能；發(fā)電單元與電力變換單元電連通，實現(xiàn)感應(yīng)電能的轉(zhuǎn)換形成常規(guī)電量；電力變換單元采用常規(guī)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(jié)構(gòu)簡單，制作加工技術(shù)成熟，具有節(jié)能功效，并可實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者張鐵柱, 張洪信, 張翼 申請人:青島大學