[发明专利]一种路面压电俘能系统的优化方法

说明书

本发明提供了一种路面压电俘能系统的优化方法，该方法通过无量纲化处理的方式，将影响压电俘能效果的多个参数，组合成几个无量纲参数，从而得到了各无量纲参数之间的关系变化曲线，通过对曲线变化趋势的分析得到优化俘能系统的策略。本发明简化了传统的俘能优化分析，减少了工作量，同时也更利于探讨各个参数彼此之间的相互关系，更全面地把握系统中的本质关系，对实际工程中俘能系统的优化设计具有一定的指导意义和工程应用价值。

技术领域

本发明涉及俘能领域，具体涉及一种路面压电俘能系统的优化方法。

背景技术

道路环境中，由于车辆荷载的反复循环作用，而蕴藏着大量未被开发利用的机械能。目前，基于压电效应的路面压电俘能技术表现出显著转换机械能为电能的潜能，越来越受国内外研究学者关注。提高压电俘能效率，其技术关键在于提高压电材料的性能、俘能装置的结构优化设计以及储能电路的设计三大方面。

压电材料指受外界荷载作用后会在其表面积聚电荷的材料。压电材料先后经历了压电单晶体、多元系压电陶瓷、压电高分子聚合物、复合压电材料四代的研发更迭，压电材料的性能指标如压电常数d₃₃、介电常数k₃₃也不断提升；俘能装置的结构设计包括压电材料自身的结构形式、尺寸设计，封装材料的选择设计，以及封装结构的尺寸设计，其材料选择、结构形式及尺寸大小对装置与道路材料相适性、俘能模式和能量转换输出效率有显著影响；由于交通荷载是千变万化且不断重复的，道路压电俘能装置的电能输出也是交流的、不稳定的，因此，需要设计相应的整流电路和储能稳定且可持续的能量转换电路。目前，应用较多的三种主要能量收集电路有串联同步、并联同步和电荷同步电路。

目前，研究人员从上述三方面开展了诸多路面压电俘能技术的研究，探讨了不同影响参数对俘能效果的影响，但少有全面的对路面压电俘能系统的优化方法。多数研究只围绕单个或少量几个参数进行分析，且参数之间的相互影响关系并未有深入探讨。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种路面压电俘能系统的优化方法，通过无量纲的分析方法，将影响压电俘能效果的多个参数进行一体化设计，从而简化了传统优化方法单一、参数间关联性弱、实验工作量大等弊端，更能把握系统中的本质关系。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

(1)根据路用压电俘能装置应用的场景建立理论模型；

(2)根据理论模型结合压电本构方程，推导得到输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式；

(3)通过对路用压电俘能装置进行所要应用场景下的压力加载，得到不同参数下路用压电俘能装置的能量输出值；

(4)通过实验与理论值的比对，验证理论模型的准确性；

(5)通过引入特征电压V₀、特征电阻R₀、特征功率P₀将输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式进行无量纲化整理，得到无量纲有效电压无量纲平均功率与无量纲电阻之间的理论表达式；

(6)得到路用压电俘能系统的无量纲参数曲线，当无量纲平均功率达到最大时所对应的的无量纲电阻为最优值，根据所述的步骤(5)中的无量纲电阻的理论表达式，得到该表达式中所涉及的参数的关系式，从而通过控制变量的方法得到最优参数组合。

进一步地，当所述的理论模型为纯压模型时，所述的特征电压V₀、特征电阻R₀、特征功率P₀的理论表达式具体为：

V₀＝(n_SFd₃₃h_p)/(k₃₃S)