本發(fā)明屬于路面機(jī)械能回收裝置的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種路面的機(jī)械能回收裝置及其工作方法。

背景技術(shù)：

隨著我國汽車保有量的迅速發(fā)展，我國已成為汽車保有量達(dá)2.5億輛的汽車大國，同時(shí)隨著我國公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，截止2015年全國公路網(wǎng)總里程達(dá)到400多萬公里，因此各種交通工具引起的路面振動(dòng)和變形越來越多，因此，路面有可廣泛可以轉(zhuǎn)換的機(jī)械能，研究路面機(jī)械能的回收不僅可以獲取較為清潔的能源，還可以在一定程度上減少路面的變形和振動(dòng)進(jìn)而起到保護(hù)路面的作用，因此近些年來對(duì)路面機(jī)械能的回收的研究是一個(gè)活躍的研究方向。研究路面機(jī)械能的回收的能量主要用于道路交通標(biāo)志牌、警示牌、路燈供電，是一種節(jié)能環(huán)保的清潔能源；目前對(duì)路面機(jī)械能回收的裝置主要是利用壓電材料來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換，核心機(jī)構(gòu)為壓電換能機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)的壓電換能結(jié)構(gòu)常采用單懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式簡單，在低頻作用下能產(chǎn)生較大的能量，但是很難運(yùn)用于路面高壓應(yīng)力的環(huán)境中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種路面機(jī)械能回收裝置及其工作方法，以解決如何提高機(jī)械能回收效率的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種路面機(jī)械能回收裝置，包括：呈環(huán)狀分布的若干壓電傳感器組，各壓電傳感器組輸出端分別通過相應(yīng)開關(guān)與一儲(chǔ)能裝置相連；位于壓電傳感器組輸出端還連接有一控制電路；所述控制電路適于根據(jù)壓電傳感器組的輸出電壓控制開關(guān)導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

進(jìn)一步，所述儲(chǔ)能裝置的各充電接口的前端均連接有一同步電荷降壓式變換電路；所述控制電路適于通過控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

進(jìn)一步，所述同步電荷降壓式變換電路包括：用于連接壓電傳感器組輸出端的整流電路，與該整流電路相連的第一儲(chǔ)能電路，第一儲(chǔ)能電路通過一開關(guān)管與第二儲(chǔ)能電路相連，且通過第二儲(chǔ)能電路對(duì)儲(chǔ)能裝置充電；其中將開關(guān)管作為所述開關(guān)，進(jìn)行充電接口的接通或關(guān)閉控制；以及所述控制電路的輸入端適于與第一儲(chǔ)能電路端相連，以判斷壓電傳感器組是否輸出電壓。

進(jìn)一步，所述第一、第二儲(chǔ)能電路的電路結(jié)構(gòu)相同且均為LC振蕩電路。

進(jìn)一步，所述壓電傳感器組包括電動(dòng)升降支架，該電動(dòng)升降支架適于分層放置若干壓電傳感器，且初始狀態(tài)時(shí)，各壓電傳感器之間留有間隙；當(dāng)壓電傳感器組工作時(shí)，所述控制電路中的處理器模塊適于控制電動(dòng)升降支架下降，使相鄰壓電傳感器彼此接觸，以與壓電傳感器組所獲得的機(jī)械能相匹配，由若干壓電傳感器共同將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

又一方面，本發(fā)明還提供了一種路面機(jī)械能回收裝置的工作方法。

其中所述路面機(jī)械能回收裝置，包括：

呈環(huán)狀分布的若干壓電傳感器組，各壓電傳感器組輸出端分別通過相應(yīng)開關(guān)與一儲(chǔ)能裝置相連；位于壓電傳感器組輸出端還連接有一控制電路；

所述工作方法包括：

所述控制電路適于根據(jù)壓電傳感器組的輸出電壓控制開關(guān)導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

進(jìn)一步，所述儲(chǔ)能裝置的各充電接口的前端均連接有一同步電荷降壓式變換電路；所述控制電路適于通過控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

進(jìn)一步，所述控制電路適于通過控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉的方法包括：

若壓電傳感器組有輸出電壓，則控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通，即對(duì)儲(chǔ)能裝置充電；

若壓電傳感器組未輸出電壓，則控制同步電荷降壓式變換電路截止，即關(guān)閉充電接口。

進(jìn)一步，所述壓電傳感器組包括電動(dòng)升降支架，該電動(dòng)升降支架適于分層放置若干壓電傳感器，且初始狀態(tài)時(shí)，各壓電傳感器之間留有間隙；

當(dāng)壓電傳感器組工作時(shí)，所述控制電路中的處理器模塊適于控制電動(dòng)升降支架下降，使相鄰壓電傳感器彼此接觸，即

壓電傳感器組中參與機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的壓電傳感器的數(shù)量與壓電傳感器組所獲得的機(jī)械能相匹配。

進(jìn)一步，壓電傳感器組中參與機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的壓電傳感器的數(shù)量與壓電傳感器組所獲得的機(jī)械能相匹配的方法包括：

當(dāng)上層一個(gè)或多個(gè)壓電傳感器的輸出電壓超過一個(gè)或多個(gè)壓電傳感器的最大額定輸出電壓時(shí)，所述處理器模塊控制電動(dòng)升降裝置下移，使下層的壓電傳感器分擔(dān)上層一個(gè)或多個(gè)壓電傳感器所受機(jī)械能，即共同將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的路面機(jī)械能回收裝置及其工作方法，通過環(huán)狀分布的若干壓電傳感器組，可以增大壓電換能器單位面積范圍內(nèi)的工作數(shù)目，使同一車輛經(jīng)過同一單位面積路面的時(shí)候能采集更多的機(jī)械能，提高了能量轉(zhuǎn)換利用率。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本路面機(jī)械能回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本路面機(jī)械能回收裝置的控制原理圖；

圖3是本同步電荷降壓式變換電路的電路原理圖；

圖4是本發(fā)明的壓電傳感器組與電動(dòng)升降支架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的鈸型壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：壓電傳感器組 L1-L12、壓電傳感器 L11-L14、控制電路 S1-S12、電動(dòng)升降支架 1。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

實(shí)施例1

如圖1至圖4所示，本實(shí)施例1提供了一種路面機(jī)械能回收裝置，包括：呈環(huán)狀分布的若干壓電傳感器組，各壓電傳感器組輸出端分別通過相應(yīng)開關(guān)與一儲(chǔ)能裝置相連；位于壓電傳感器組輸出端還連接有一控制電路；所述控制電路適于根據(jù)壓電傳感器組的輸出電壓控制開關(guān)導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

其中，環(huán)狀分布例如但不限于采用圓形分布、或矩形分布方式。圖1中L1-L12分別表示相應(yīng)壓電傳感器組，S1-S12分別表示相應(yīng)控制電路，H表示儲(chǔ)能裝置。當(dāng)壓電傳感器組中的相應(yīng)壓電換能器受到外力作用則開始工作產(chǎn)生電能，在同一時(shí)刻較先產(chǎn)生電流的壓電換能器對(duì)應(yīng)的控制電路導(dǎo)通儲(chǔ)能裝置對(duì)應(yīng)的充電接口；若壓電換能器不受外力，則通過相應(yīng)控制電路關(guān)閉對(duì)應(yīng)的充電接口，避免該充電接口產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

為了延長充電時(shí)間進(jìn)而提高換能器的能量轉(zhuǎn)換效率，所述儲(chǔ)能裝置的各充電接口的前端均連接有一同步電荷降壓式變換電路；所述控制電路適于通過控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

作為同步電荷降壓式變換電路的一種可選的實(shí)施方式，所述同步電荷降壓式變換電路包括：用于連接壓電傳感器組輸出端的整流電路，與該整流電路相連的第一儲(chǔ)能電路，第一儲(chǔ)能電路通過一開關(guān)管與第二儲(chǔ)能電路相連，且通過第二儲(chǔ)能電路對(duì)儲(chǔ)能裝置充電；其中將開關(guān)管作為所述開關(guān)，進(jìn)行充電接口的接通或關(guān)閉控制；以及所述控制電路的輸入端適于與第一儲(chǔ)能電路端相連，以判斷壓電傳感器組是否輸出電壓。

優(yōu)選的，所述第一、第二儲(chǔ)能電路的電路結(jié)構(gòu)相同且均為LC振蕩電路，通過LC振蕩電路原理可以延長充電時(shí)間進(jìn)而提高換能器的能量轉(zhuǎn)換效率。

具體的，通過路面的振動(dòng)和機(jī)械變形，壓電換能器釋放電能，電能通過整流電路進(jìn)入相應(yīng)器件，其中，電感L1、儲(chǔ)能電路C1首先進(jìn)行充電，待開關(guān)管T導(dǎo)通后再給電感L2、儲(chǔ)能電路C2進(jìn)行充電，若此后壓電換能器未因路面振動(dòng)或機(jī)械變形等產(chǎn)生電能，在第一儲(chǔ)能電路將對(duì)第二儲(chǔ)能電路進(jìn)行補(bǔ)償充電，以及電感L1和電感L2中的電荷再繼續(xù)給儲(chǔ)能電路C1和儲(chǔ)能電路C2進(jìn)行充電，因此通過改進(jìn)的同步電荷降壓式變換電路可以使得提取電路的輸出功率不受負(fù)載影響。

所述壓電傳感器組包括電動(dòng)升降支架，該電動(dòng)升降支架適于分層放置若干壓電傳感器，且初始狀態(tài)時(shí)，各壓電傳感器之間留有間隙；當(dāng)壓電傳感器組工作時(shí)，所述控制電路中的處理器模塊適于控制電動(dòng)升降支架下降，使相鄰壓電傳感器彼此接觸，以與壓電傳感器組所獲得的機(jī)械能相匹配，由若干壓電傳感器共同將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。其中，所述初始狀態(tài)是指電動(dòng)支架升起的時(shí)候，即使各壓電傳感器之間留有間隙，僅頂層的壓電傳感器獲得地面的機(jī)械能。

作為電動(dòng)升降支架一種可選的實(shí)施方式，所述電動(dòng)升降支架包括：兩塊對(duì)稱放置的側(cè)支架，側(cè)支架由若干節(jié)支桿按下往上逐一嵌套而成，且適于逐節(jié)收縮，各節(jié)支桿均適于通過獨(dú)立的絲桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，且絲桿機(jī)構(gòu)由所述處理器模塊控制。

所述處理器模塊例如但不限于采用STC系列單片機(jī)，可以通過相應(yīng)AD模塊將采集的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入至處理器模塊，所述處理器模塊的若干輸出端均可以通過相應(yīng)的絲桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制絲桿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)各節(jié)支桿的高度，進(jìn)一步，兩側(cè)支架中各節(jié)支桿同步伸縮。

所述電動(dòng)升降支架還可以采用已知的現(xiàn)有技術(shù)的來實(shí)現(xiàn)。

各節(jié)支桿之間兩兩對(duì)稱設(shè)有若干對(duì)凸塊，各壓電傳感器分別放置于相應(yīng)一對(duì)凸塊上，并且各凸塊的厚度均小于各壓電傳感器中壓電換能器的內(nèi)腔高度，以使相應(yīng)節(jié)支桿收縮時(shí)，相鄰壓電傳感器能夠彼此接觸。

實(shí)施例2

在實(shí)施例1基礎(chǔ)上，本實(shí)施例2提供了一種路面機(jī)械能回收裝置的工作方法，所述路面機(jī)械能回收裝置，包括：呈環(huán)狀分布的若干壓電傳感器組，各壓電傳感器組輸出端分別通過相應(yīng)開關(guān)與一儲(chǔ)能裝置相連；位于壓電傳感器組輸出端還連接有一控制電路。

所述工作方法包括：所述控制電路適于根據(jù)壓電傳感器組的輸出電壓控制開關(guān)導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

為了延長充電時(shí)間進(jìn)而提高換能器的能量轉(zhuǎn)換效率，所述儲(chǔ)能裝置的各充電接口的前端均連接有一同步電荷降壓式變換電路；所述控制電路適于通過控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉。

關(guān)于所述同步電荷降壓式變換電路的具體電路和工作方式、技術(shù)效果參見實(shí)施例1的相關(guān)論述。

所述控制電路適于通過控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通或截止，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)充電接口的接通或關(guān)閉的方法包括：若壓電傳感器組有輸出電壓，則控制同步電荷降壓式變換電路導(dǎo)通，即對(duì)儲(chǔ)能裝置充電；若壓電傳感器組未輸出電壓，則控制同步電荷降壓式變換電路截止，即關(guān)閉充電接口。

所述壓電傳感器組包括電動(dòng)升降支架，該電動(dòng)升降支架適于分層放置若干壓電傳感器，且初始狀態(tài)時(shí)，各壓電傳感器之間留有間隙；當(dāng)壓電傳感器組工作時(shí)，所述控制電路中的處理器模塊適于控制電動(dòng)升降支架下降，使相鄰壓電傳感器彼此接觸，即壓電傳感器組中參與機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的壓電傳感器的數(shù)量與壓電傳感器組所獲得的機(jī)械能相匹配。

壓電傳感器組中參與機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的壓電傳感器的數(shù)量與壓電傳感器組所獲得的機(jī)械能相匹配的方法包括：

當(dāng)上層一個(gè)或多個(gè)壓電傳感器的輸出電壓超過一個(gè)或多個(gè)壓電傳感器的最大額定輸出電壓時(shí)，所述處理器模塊控制電動(dòng)升降裝置下移，使下層的壓電傳感器分擔(dān)上層一個(gè)或多個(gè)壓電傳感器所受機(jī)械能，即共同將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。

具體的，首先，僅壓電傳感器組最上層的壓電傳感器工作，且所述處理器模塊監(jiān)控該壓電傳感器的輸出電壓；同時(shí)判斷該壓電傳感器的輸出電壓是否大于或等于本壓電傳感器的最大額定輸出電壓；若大于或等于，則所述處理器模塊控制電動(dòng)升降裝置下移，使上層壓電傳感器與其下層壓電傳感器接觸，共同將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出；若此時(shí)兩壓電傳感器的共同輸出電壓還大于或等于兩壓電傳感器的最大額定輸出電壓之和時(shí)，所述處理器模塊控制電動(dòng)升降裝置再次下移，使上層壓電傳感器與下層壓電傳感器接觸，共同將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出，重復(fù)本步驟，直至若干壓電傳感器的共同輸出電壓小于壓電傳感器的最大額定輸出電壓之和時(shí)，所述電動(dòng)升降支架停止下降。

各壓電傳感器層層疊加，直至壓電傳感器組中參與機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的壓電傳感器的數(shù)量與壓電傳感器組所獲得的機(jī)械能相匹配，以獲得機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的最大轉(zhuǎn)換率，提高機(jī)械能的利用率。

優(yōu)選的，實(shí)施例1和實(shí)施例2中壓電傳感器中的壓電換能器均采用鈸式壓電換能器。

具體的，鈸型壓電換能器由兩片鈸型金屬帽及它們之間的壓陶瓷粘結(jié)組成，如圖4，其中Q為鈸型壓電換能器的直徑，Qc為金屬帽內(nèi)腔底部直徑，Qd為內(nèi)腔頂部直徑，dc為內(nèi)腔高度，tm為金屬帽的厚度，tp為壓電陶瓷的厚度。

此外，當(dāng)鈸型壓電換能器在外載荷的作用時(shí)，由于鈸型金屬帽結(jié)構(gòu)特性，金屬端帽使壓電陶瓷縱向載荷有放大的作用，并將部分縱向應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓電陶瓷的徑向應(yīng)力。

壓電陶瓷是人工制造的多晶體鐵電材料。在該壓電晶體中，正負(fù)離子排列的不對(duì)稱和晶胞正負(fù)電荷的不重合形成電偶極矩，利用這種特性，當(dāng)受外力作用時(shí)可以產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即可使得機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。