基于摩擦纳米发电机的汽车能量收集与自驱动车载传感器的研究

摘要

公安部交通管理局预测，中国的汽车保有量将在2030年持续增加到3.6亿辆至5.4 亿辆。汽车安全历来是人们最关心的问题之一，然而，传感器的供电问题限制了汽车安全系统的发展。由于集成的复杂性、电池有限的使用寿命以及可能带来的环境问题，电池虽然作为现在广泛使用的传感器供电方法，却并不一定是最优的解决方案。而在汽车运行中，存在大量被浪费掉的机械能，这些能量可以被用于为汽车安全系统供能。对于汽车电子器件来说，这可能是一个重要的能源收集解决方案。 自从2012年首次崭露头角以来，以麦克斯韦位移电流为理论基础的摩擦纳米发电机已经引起人们的广泛关注。通过收集环境中的机械能并转化为电能，发电机已经可以用来驱动电子器件并作为主动式传感器。摩擦纳米发电机由于具有高输出性能、可收集低频运动能量和易于制备的特点，它已经被广泛地用于能量收集和信号传感领域。IDTechEx预测，摩擦电能量收集器将在2027年拥有4亿美元的市场价值。到目前为止，摩擦纳米发电机已经被广泛地应用于收集人体运动能和环境的机械能。然而摩擦纳米发电机输出的电信号易受到外界环境的影响，且为交流电，这样不利于在不同的外界环境中稳定地驱动电子器件。所以，电源管理系统对于摩擦纳米发电机来说十分重要，它将使摩擦纳米发电机成为一个稳定的能源。 本文设计并制作了可压缩六边型的摩擦纳米发电机和自供能霍尔车载传感器，并研究和分析了他们的电学特性和应用价值。主要内容如下： 一、设计了一个阵列式可压缩六边型结构的摩擦纳米发电机用于收集旋转轮胎的机械能，此发电机可以被固定在一个橡胶轮上，并按照不同的方式排列。我们系统地研究了此发电机的输出性能，研究表明：在10 N的重量负载和橡胶轮旋转速度为2.51 m/s时，8个单元的可压缩六边型摩擦纳米发电机最大输出功率为1.9 mW，并且通过收集轮胎旋转的机械能可以每14分钟驱动无线胎压传感器工作一次。在30天的连续测试中，可压缩六边型摩擦纳米发电机展示出了良好的稳定性和耐久性。通过计算，500个单元的可压缩六边型摩擦纳米发电机在速度为100 km/h的标准轮胎上至少会产生1.2 W的能量。这个工作不仅提供了一个收集浪费机械能的有效解决方案，也展示了可压缩六边型摩擦纳米发电机在可持续发展的汽车电子领域的潜在应用。 二、设计了一种用于汽车安全系统的自驱动霍尔车载传感器，这种传感器的结构包括摩擦纳米发电机、管理电路、磁铁和霍尔元件。我们提出了摩擦电子学恒流源，其可以在旋转式摩擦纳米发电机的不同转速下稳定地驱动霍尔元件，此外，我们还系统性地研究了自驱动霍尔车载传感器传感速度与监控刹车的性能，结果表明此传感器具有宽的传感范围、极好的稳定性和良好的灵敏度。这个工作不仅提供了一个针对速度传感和刹车监控领域的有效解决方案，也展示了自驱动电子器件在未来汽车产业的潜在应用。以上结果说明基于摩擦纳米发电机的能量收集和自驱动传感系统在汽车安全领域都有很大的应用前景。

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