能量收集在汽車制動系統(tǒng)中的應(yīng)用

車輛提供各種各樣的環(huán)境能源，足以供應(yīng)低功率傳感器甚至許多執(zhí)行器。雖然電動車通過再生制動捕獲動能以為牽引電池組充電，但傳統(tǒng)動力車輛可利用各種可用的傳感器和專用IC來利用可用的熱能，振動能和太陽能。

能量收集提供為汽車，卡車和任何類型的車輛提供各種系統(tǒng)和附加裝置的潛力。除了增加新功能的能力之外，能量收集還可以減去車輛重量和成本的相當(dāng)大的組成部分。具體而言，消除甚至減少線束的能力意味著更輕的整備質(zhì)量和更簡單的車輛物理設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化為更高的性能，更低的成本和更大的設(shè)計(jì)靈活性。

對于電動汽車，關(guān)注能源采用改進(jìn)的方法為主牽引驅(qū)動裝置供電并為牽引電池充電。利用其他形式的能量收集可以有助于電動汽車的經(jīng)濟(jì)性。電動汽車中的主要牽引電池可以占車輛成本的一半，因此利用更多環(huán)境能源的能力可以使用從車輛內(nèi)的更多來源再充電的更小的電池。

電動汽車可以通過制動系統(tǒng)，懸架和減震器從車輛的動能中回收大量能量。在這些方法中，制動仍然是當(dāng)前可用車輛中能量收集的主要來源。為響應(yīng)更高級別的速度控制算法，驅(qū)動電機(jī)控制器中的高級算法生成適當(dāng)?shù)娜嚯妷汉?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流波形，以在驅(qū)動電機(jī)中產(chǎn)生所需的扭矩，從而逐漸減慢車輛的速度。除了降低制動器磨損外，產(chǎn)生的反電動勢還會產(chǎn)生用于給電池充電的能量，從而產(chǎn)生再生制動效果。

當(dāng)駕駛員進(jìn)一步踩下制動踏板使車輛完全停止時，摩擦力制動產(chǎn)生能夠?yàn)闋恳姵爻潆姷念~外能量。更先進(jìn)的車輛結(jié)合了兩種方法，以最大限度地從車輛的動能運(yùn)動中獲取能量。在這些車輛中，控制器協(xié)調(diào)再生制動和摩擦制動，從100％再生轉(zhuǎn)換到100％摩擦制動，這取決于制動踏板被壓下的距離和強(qiáng)度（圖1）。

圖1：先進(jìn)的車輛使用扭矩混合將再生制動與摩擦制動相結(jié)合，以最大限度地從車輛動能中獲取能量（Robert Bosch GmbH提供）。

溫度差異

隨著車輛的質(zhì)量和速度，動能收集仍然是環(huán)境動力的最大來源。盡管如此，車輛產(chǎn)生的熱量和振動都可以作為重要的能量來源。在傳統(tǒng)的內(nèi)燃動力車輛中，來自發(fā)動機(jī)和排氣系統(tǒng)的熱量可以使用熱電發(fā)電機(jī)（TEG）產(chǎn)生大量功率。

利用TEG進(jìn)行能量收集利用塞貝克效應(yīng)，其中電流流入當(dāng)導(dǎo)體的兩個結(jié)保持在不同溫度時，由兩個不同導(dǎo)體形成的環(huán)?，F(xiàn)代TEG可以從車輛運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的各種大溫差產(chǎn)生大電壓輸出。在最大溫差下，CUI CP85系列可以產(chǎn)生高達(dá)15.4 V的電壓，而Laird Technologies PolarTEC系列包括能夠產(chǎn)生高達(dá)35.9 V的設(shè)備。通常，TEG的最大溫差完全在散熱水平范圍內(nèi)。來自內(nèi)燃機(jī)和排氣系統(tǒng)。

工程師還可以從距離發(fā)動機(jī)和排氣系統(tǒng)更遠(yuǎn)的更溫和的溫差中獲取能量。對于這些應(yīng)用，凌力爾特公司的LTC3108和LTC3109等專用能量收集設(shè)備能夠在小溫差工作時從TEG產(chǎn)生的超低電壓輸出電平中清除功率。兩款線性器件均集成了高效升壓轉(zhuǎn)換器，能夠從低至20 mV（LTC3108）和30 mV（LTC3109）的輸入電壓水平獲取能量。 LTC3109擴(kuò)展了LTC3108的功能，其片上電路設(shè)計(jì)用于從任一極性的輸入電壓產(chǎn)生功率。

振動能量

振動為車輛提供了重要的可收集能源并且對于諸如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）中所需的無線傳感器系統(tǒng)尤其有用。連接到每個輪胎的閥桿，每個TPMS單元在由中央TPMS控制單元詢問時無線傳輸輪胎壓力測量值（圖2）。

圖2：車輛輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的低功率無線傳感器可以通過能量存儲設(shè)備進(jìn)行振動能量收集，即使在車輛停放時也能延長運(yùn)行時間（東芝公司提供）。

雖然通常需要補(bǔ)充電池或其他儲能設(shè)備來確保即使對于靜止車輛也能持續(xù)進(jìn)行輪胎壓力監(jiān)測，但可以使用壓電傳感器從振動能量收集中提供低功率輪胎安裝系統(tǒng)。 。由諸如鋯鈦酸鉛（PZT）的陶瓷或諸如聚偏二氟乙烯（PVDF）的含氟聚合物膜制成，用作振動傳感器的壓電裝置通常安裝在懸臂結(jié)構(gòu)中，在一端安裝到固定平臺。當(dāng)振動導(dǎo)致壓電器彎曲時，器件會產(chǎn)生與運(yùn)動幅度成比例的交流電壓。

可用的壓電器件，例如Measurement Specialties LDT系列和Mide Technology Volture系列中的壓電器件可產(chǎn)生輸出電壓在最大偏轉(zhuǎn)的幾十瓦特，同時仍然在更適度的水平產(chǎn)生一位數(shù)的電壓電平。 Measurement Specialties LDT0可產(chǎn)生約7 V輸出，偏轉(zhuǎn)僅為2 mm（圖3）。

圖3：懸臂式壓電器件，如即使偏轉(zhuǎn)幅度很小，Measurement Specialties LTD0也能產(chǎn)生很大的電壓水平（由Measurement Specialties提供）。

為了從壓電設(shè)備中獲取能量，凌力爾特公司的LTC3588-1集成了全波橋整流器和同步降壓轉(zhuǎn)換器提供簡單的振動能量收集解決方案，只需極少的外部元件。對于傳感器數(shù)據(jù)處理和無線功能，工程師可以利用集成無線子系統(tǒng)的各種可用MCU，例如Atmel ATMEGA系列（包括Atmel的ATMEGA128RFA1），賽普拉斯半導(dǎo)體PRoC系列和德州儀器CC2511系列等。這些高度集成的器件結(jié)合了MCU內(nèi)核，片上存儲器和無線功能，只需少量外部元件即可完成無線傳感器子系統(tǒng)（圖4）。

圖4：高度集成的MCU（如Atmel ATMEGA128RFA1）結(jié)合了MCU內(nèi)核，外設(shè)和無線功能，只需少量外部組件即可實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)（圖示由Atmel）。

雖然車輛的熱量和振動提供了容易獲得的能源，但太陽能仍然是合適地理區(qū)域的可行來源。豐田普銳斯等車型已經(jīng)包括太陽能通風(fēng)系統(tǒng)，旨在幫助車輛停放時冷卻車輛內(nèi)部。

第三方太陽能解決方案可以利用高效非晶硅材料例如三洋Amorton系列非晶太陽能電池中使用的那種。對于非線性傳感器，如太陽能電池，工程師需要將太陽能電池維持在其最大功率點(diǎn)（MPP）輸出水平，以確保最佳能量收集。專為此目的而設(shè)計(jì)的設(shè)備包括Cymbet CBC915，凌力爾特公司LTC3105和德州儀器BQ25504集成的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，能夠響應(yīng)波動的太陽輻射水平，并將太陽能電池保持在其MPP水平最大化結(jié)論

車輛提供多種能源，能夠?yàn)楦鞣N系統(tǒng)和電路供電。雖然再生制動提供了為電動車輛中的牽引電池再充電所需的高能量，但來自傳統(tǒng)燃燒動力車輛的熱量和振動為輔助功能提供了現(xiàn)成的能量來源。利用可用的能量傳感器和專用IC，工程師可以利用車輛中的能源為無線傳感器系統(tǒng)和其他低功率車輛電子子系統(tǒng)提供電力。