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基于压电效应的汽车节能座椅设计
来源:汽车与驾驶维修  作者:佚名  2018-06-04 08:29:31



    摘要:随着绿色节能发电技术的大力推广,基于压电效应的压电发电技术应运而生。本文基于压电发电技术在汽车座椅中的应用,设计了一种结合自动控制技术和压电效应的新型汽车节能座椅,达到节能环保的目的。

    0 引言
    随着社会发展需要,节能绿色技术和环保新型材料得到广泛的应用,在汽车系统中也不例外。其中大量新型压电材料的出现进一步促进了压电技术的快速发展。目前,关于振动压电发电技术研究日渐受到重视,包括在人流密集区利用人体踩压地面引起的振动发电、利用自然环境因素(气流、洋流等)引起的振动发电等这种发电技术因其绿色环保而广泛应用。
    在汽车设计中,汽车整体结构的性能不仅决定了汽车行驶安全性,也关系乘客乘坐的舒适性。人们对汽车的乘坐舒适性要求越来越高,特别是对汽车座椅的设计要求也逐渐提高。本文设计的基于压电效应的汽车节能座椅,主要是利用汽车在行驶过程中产生的振动通过压电元件发电并储存,再利用储存电能为汽车某些小功率元件供能或通过电热元件转化成热能(为乘客腰部或者肩部加热),实现了节能环保的目标。

    1 设计方案
    普通汽车座椅只考虑舒适性,并没有利用其在行进过程中产生的振动机械能。本设计主要利用成熟的压电陶瓷的压电效应获取电能,其中压电效应实质是指,压电元件在沿一定方向上受到外力的作用而产生的机械变形所引起内部极化,使得压电元件两端表面内聚集极性相反的正负电荷现象,其中电荷聚集的密度与施加外力的大小成正比。单个压电陶瓷元件两端产生电压的数学表达式为。其中。为单个压电陶瓷元件两端的电压,d为压电常数,C为单个压电陶瓷元件的电容,F为压电陶瓷元件所用外力。
    由于目前压电陶瓷单体所产生的电压过小,因此可以将多个压电陶瓷单体串联在汽车座椅中形成一个可观的发电体,发电体所加外力F由汽车行驶过程中,乘客跟随汽车振动所产生的机械能提供。如此,本设计中汽车座椅的设计框图如图1所示。

    当人体随着汽车上下振动而振动时,汽车座椅底部的压电陶瓷元件受到与地面垂直方向的作用力,由数个压电陶瓷单体组成的压电陶瓷发电单元两端产生的电压,就等于数倍的单个压电陶瓷元件两端的电压。由于压电陶瓷元件不能长时间储存电能,所以该电能通过储能装置进行储存,当达到一定功率后通过控制单元给汽车小功率用电器供电(如报警器等),也可以用电发热元件给乘客背部加热。这种节能汽车座椅可以减少汽车本身用电量,达到节能的目的。

    2 电路设计
    汽车行进过程中其振动幅度会随着汽车所行驶的路面状况及汽车实时的行驶工况等因素变化,因此由人体施加给汽车座椅压电陶瓷发电组合单元的外力,也会随着汽车振动幅度的大小而实时变化。所以此处输出的电压是交变电压,并不能直接为汽车用电元件供能。此外,由于压电陶瓷发电单元所输出的功率较小,不能直接带动发热元件工作,需要将其用电池进行储能,然后由控制单元进行电能的合理分配。这就需要设计专门的集整流电路、滤波电路、充电电路与控制电路等为一体的电路控制单元。
    整流电路采用由4只二极管组成的全波整流电路,虽然由于该电路二极管正向电阻不为零而使得整流桥内阻不为零,存在部分损耗,但是该电路输出的电压较大、脉动较小,所以将其设计为采用全波整流电路。整流电路输出电压脉动较小,但是含有交流成分,还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压,并由电池储存该电能,为汽车小功率用电器供能。
    由电池供能的用电元件是否工作,根据实际需要由控制单元控制其回路中的继电器线圈是否通电,而控制用电元件的工作状态。若需要发热元件工作为乘客提供部分热能,则由控制单元控制该回路中继电器线圈通电,使回路中开关触点闭合后电路接通,发热元件开始工作。同理,控制单元也可以控制某些小功率汽车用电元件工作与否(图2)。

    3 结束语
    利用压电元件的压电效应进行发电,是一种新型的绿色节能发电技术,几乎能应用于存在振动机械能的所用场合。正是因为这种系统使用寿命长、维护简单等优点,本文设计了能充分收集汽车行进过程中产生的机械能,并将其转化为电能的汽车节能座椅。该节能座椅结构简单、成本低且工作可靠性高,真正实现了节能环保的目的。
 

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