论文部分内容阅读
我国铁路货运在社会经济生活中扮演着越来越重要的角色,随着货运规模不断扩大,货运安全压力日益增大,保障货运列车安全运输日益受到重视。由于货运列车的车厢没有电源,无法依靠安装车载安全监测设备,对列车运行过程的重要性能指标进行实时监测。针对目前货运列车电源缺失的问题,本文利用压电式振动能量收集技术,采集货车运行中丰富的机械振动能并将其转化为电能,设计用于铁路货车车载安全监测设备供电的自发电电源。首先,分析了货车车载安全监测车载子系统的用电需求及货车振动特性,据此确定了自发电电源设计中涉及到的主要技术指标。然后,研究了压电能量收集装置理论基础,建立了悬臂梁单晶压电振子的数学模型,并利用ANSYS软件对其进行压电仿真分析,验证了数学模型的合理性;通过结构优化,设计出了适合低频振动环境能量收集的宽带低频压电俘能器。最后,制备了悬臂梁单晶压电振子和宽带低频压电俘能器。通过搭建振动实验台,对两者进行了压电发电实验研究。设计了基于LTC3588-1能量收集管理芯片的压电能量收集电路,并进行了超级电容储能及供能实验,验证了宽带低频压电俘能器的有效性。通过研究,本文得到以下结论:(1)确定了自发电电源的主要技术指标及设计依据。车载子系统的总体平均功耗可控制在6.66mW,工作态最大功耗为252mW,电压在3.6V左右。货车振动能量集中在20Hz以内的低频振动环境。(2)建立了悬臂梁单晶压电振子的数学模型,得到其输出电压U、电能W及电荷量Q等性能指标,以及固有频率和等效电路模型。通过数学模型及仿真分析发现了压电振子结构尺寸和材料属性对其固有频率和发电能力的影响规律。(3)结合理论模型及仿真结果进行结构优化,设计了宽带低频压电俘能器。研究表明其有效响应频带为7.6Hz～15.4Hz,扩展了 147%,相比于单体压电振子具有更好的低频谐振性能及发电能力。(4)通过仿真及实验研究了宽带低频压电俘能器的发电能力。利用Multisim软件仿真得到标准能量回收电路下最优负载为120kΩ,最大输出功率为0.477mW。设计了基于LTC3588-1能量收集管理芯片的压电能量收集电路,实验验证了该电路可有效采集及存储压电俘能器转化的电能,并实现间歇对外部负载供能,能够满足车载子系统的用电需求。