[发明专利]应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路

摘要

本发明公开了一种应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路，用于解决现有压电能量采集器采集效率低的技术问题。技术方案是采集器采用冲击式悬梁臂结构，车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC‑DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。

主权项

一种应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路，所述的压电能量采集器包括悬梁臂底座(1)、悬梁臂(2)、冲击杆架(3)、冲击杆(4)、第一弹簧(5)、弹簧基座(6)、第二弹簧(7)、压电材料(8)和金属薄片(9)；悬梁臂底座(1)表面的一端固定有悬梁臂(2)，另一端与第一弹簧(5)相连；悬梁臂(2)由压电材料(8)和金属薄片(9)组成，悬梁臂(2)的一端固定在悬梁臂底座(1)的表面，另一端悬空；冲击杆架(3)的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧(5)、冲击杆(4)和第二弹簧(7)；冲击杆(4)一端固定在冲击杆架(3)上，另一端悬浮于悬梁臂(2)的自由端的垂直上方；第一弹簧(5)安置于悬梁臂底座(1)和冲击杆架(3)之间；第二弹簧(7)安置于弹簧基座(6)和冲击杆架(3)之间；当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架(3)和冲击杆(4)下降；当冲击杆(4)接触到悬梁臂(2)后，悬梁臂(2)随冲击杆(4)运动，此时压电材料(8)开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆(4)持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆(4)到达最低点，此时压电材料(8)输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆(4)恢复到初始位置，此时冲击杆(4)与悬梁臂(2)不接触，悬梁臂(2)将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动，其特征在于：所述的采集电路包括全桥整流器、DC‑DC开关变换器和开关信号控制器；全桥整流器的输入端与压电材料的输出电极相连，压电材料的输出电压经过全桥整流器整流后输出给DC‑DC开关变换器；开关信号控制器的输出连接DC‑DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极，用于控制DC‑DC开关变换器实现对储能器件的充电；开关信号控制器产生周期性的方波信号控制DC‑DC开关变换器的功率级开关管NM1的通断；所述的开关信号控制器由唤醒模块、开关信号产生模块、冲击周期检测模块以及开关信号变换模块组成；唤醒模块的输入端连接在全桥整流器的输出端，其输出信号分别连接到冲击周期检测模块、开关信号产生模块以及开关信号变换模块，以启动和控制这三个电路模块工作；冲击周期检测模块的输入端连接在压电材料的输出电极两端，输出端连接到开关信号变换模块；开关信号变换模块的输出端连接开关信号产生模块，开关信号产生模块的输出端连接到DC‑DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极；唤醒模块的功能是检测汽车能量并启动其它电路开始工作；开关信号产生模块用于产生控制功率级开关管NM1通断的周期性方波信号；冲击周期检测模块的功能是检测冲击周期是否结束；开关信号变换模块接收到冲击周期结束的信号后，向开关信号产生模块发出变换开关信号周期的指示信号；所述的开关信号控制器能够及时准确地检测有无车辆通过减速带，并控制整个能量采集电路的工作；当没有车辆通过时，控制能量采集电路使其工作在低功耗的休眠状态；而当车辆到来时，控制DC‑DC开关变换器为储能器件充电；另外，在压电能量转换过程中，开关信号控制器还要控制DC‑DC开关变换器的开关周期和占空比，使其与压电材料实现阻抗匹配。