[发明专利]一种基于PVDF压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法

说明书

一种基于PVDF压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法，属于汽车能量回收领域。无论是新能源汽车还是传统燃油汽车，车载设备的用电均为动力系统提供，续航和车载设备供能均受到限制；现有车辆能量回收技术在采集形式及回收方向上均存在局限性。对此，本发明提出了一种基于PVDF压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法，由压电能量采集结构系统和充电系统组成，运用PVDF压电膜和磁致伸缩材料组成的层状磁电复合材料按照一定排列方式安置于轮胎气密层形成压电能量采集结构，在车辆行驶及停泊的不同情况下，持续收集由振动、胎侧形变及胎压变化产生的无效机械能，转换成电能为蓄电池组等负载充电。

技术领域

本发明涉及一种基于PVDF压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法，属于汽车能量回收领域。

背景技术

由于现阶段能源紧张以及供需矛盾突出，作为太阳能、热能及振动能的绿色无污染能源的采集发电技术已成为我国可持续发展战略的一部分；且无论是新能源汽车还是传统燃油汽车，车载设备的用电均为动力系统提供，续航和车载设备的供能均受到限制。太阳能收集技术仅能在足够光照下工作，必须放置于车体外表面，不适合运动载体和结构内部的工作环境，且热能无法在汽车日常出行时温度梯度变化不大的情况下有效工作。振动能量因具有普遍性和持续性成为汽车出行时能持续高效收集的首选绿色能源。据调研了解，压电材料的正电效应可以有效收集汽车因振动、胎压变化及胎侧形变产生的无效机械能。但目前存在压电技术主要应用于发电地板、纳米发电机、海洋浮体发电等无法直接、普遍造福人们日常生活的领域。因此，迫切需要一种在汽车行驶及停泊过程中运用压电技术、能够持续有效收集多余能量转换成电能的设备及运行方法，缓解汽车出行的用电紧张，减轻消费者的里程焦虑。

目前，市面上针对运用压电材料回收汽车释放的多余能量的技术应用情况仍存在不足，不能有效缓解汽车出行的能耗问题。例如CN202120402293.1一种具有压电效应的轮胎，该轮胎通过于胎芯内部周向设置若干个压电陶瓷及金属片，实现汽车的边行驶边发电的效果，但该设计采用的压电陶瓷是脆性材料，若胎面出现应力集中，易使其材质遭到破坏，且其嵌入胎芯，影响轮胎各材料层之间的相对强度，将会造成汽车行驶的安全隐患；又例如CN201721920408.6一种新型压电式轮胎，其通过在轮胎胎面的内侧设置压电薄膜，将轮胎在行驶过程中产生的扭曲形变等机械能转化为电能，持续为车上的用电器或驱动电机推动提供能源，但设置在胎面内侧的压电薄膜仅因胎面扭曲而产生微量形变量，不能保证发电量的需求，且只能在汽车行驶过程中实现能量转换，工作场景具有局限性，以及其同样嵌入胎芯，影响车胎强度要求，给人们的出行带来安全问题。

本发明设计了一种基于PVDF压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及方法，因PVDF压电膜具有高稳定性、耐疲劳性以及更高的柔性，压电常数大，其易加工成大面积的压电结构，可适应多样的工作安置需求。设备通过在车轮气密层与胎体增强层交界处，按照平行、交错的排列方式，将若干个由PVDF压电膜和磁致伸缩材料以导电银胶粘连组成的层状磁电复合材料与其连接；在汽车行驶时，由于振动，磁致伸缩材料与永磁体相对运动而导致的形变，且由于道路压迫造成的胎侧弹性形变及胎压变化；以及汽车停泊一段时间后，车胎由于太阳照射引起的胎内空气压力变化，产生磁致伸缩效应及压电效应的乘积效应，形成磁电耦合，直接或间接促成PVDF压电膜的形变量增大，进而提高其极化程度，更高效地将汽车无效机械能转化为电能，并持续为蓄电池组等负载充电。相对于上述只能在汽车行驶过程中转换能量的设备，本发明可在汽车行、止不同情况下持续转换能量，且设备系统安置于轮胎气密层内，没有破坏胎芯之间的强度关系，在一定程度上优化汽车的能量利用率，提高其续航能力，减少出行的安全隐患。

发明内容

本发明提供了一种基于PVDF压电膜与磁致伸缩材料磁电耦合的轮胎自供集能充电设备及运行方法，由压电能量采集结构系统和充电系统两部分组成；