Ali Pourahmad 的发明 | 类别：世界新发明 | 相关：科学发现与技术发明
利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电——压电效应在汽车中的应用
◉ 发明：利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
◉ 引言和目标:
在本文中，我们简要介绍了利用装有压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电的发明。
如今的现代汽车已不仅仅是交通工具，它们配备了各种复杂的电子系统，为乘客提供的功能远超简单的代步工具。从安全系统到各种娱乐程序、发动机控制、导航、互联网连接等等，这些都已成为汽车不可或缺的重要组成部分。另一方面，电子行业的科技进步使得汽车中电子元件和设备的使用量空前增长。随着各种纳米电子设备和装置的引入，这种增长速度进一步加快，也引发了人们对该行业电力生产和消耗必然增长的担忧。
◉ 发明：利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
显而易见，随着各种大小电子元件的日益普及，汽车对电力的需求也随之增长。然而，尽管汽车电力生产方式存在诸多限制，公众对具备更多电子功能和配置的汽车的需求却持续攀升。这使得如何为汽车寻找更高效的电力生产方案成为全球汽车制造商面临的最重要挑战之一。传感器、执行器、电子控制单元、电力电子设备、通信网络、用户界面组件、先进的车身控制模块（BCM）和发动机电子控制单元（ECU）、增强型安全系统（ESC）和防抱死制动系统（ABS）、舒适便捷的驾驶体验、导航系统和GPS模块的连接、能源管理以及自动驾驶等，仅仅是现代汽车众多电子必需品中的一部分。
现在，除了我之前提到的那些之外，如果我们再加上其他一些必要的电子传感器（用于估算物理量），例如：压力传感器、温度传感器、接近传感器、速度传感器、氧气传感器、位置传感器、光线传感器、雨量传感器和惯性传感器（所有这些都被认为是汽车中的"耗能"因素），那么我们就能真正理解汽车发电的重要性。虽然新一代电池在一定程度上解决了这个问题，但电池储能所需的电能会给发动机带来负担，增加燃油和能源消耗，并加速发动机部件的损耗，这对汽车行业来说既不利，对消费者和车主来说也不经济。
◉ 发明：利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
大多数传统汽车设计使用容量为 600 安培的 12 伏电池。这些六芯电池在充满电时可产生 12.6 伏的电压，也就是说，根据车辆类型和尺寸的不同，汽车电池可以存储 400 到 1000 安培的电量。然而，随着电池放电，产生的电量会减少。在非电动汽车中，弥补这种电量减少的责任在于交流发电机，它将柴油发动机产生的机械能转化为电能并为电池充电。但在电动汽车中，电池充电则必须依靠各种充电站。无论哪种类型的汽车，都会面临发动机额外负荷以及能源和时间浪费的问题。
这些问题以及在不增加汽车发动机额外负荷或提高燃油和能源消耗的情况下在汽车中发电的种种顾虑，促使我萌生了利用汽车轮胎发电为部分电子元件供电的想法。事实上，我的想法基本基于压电效应，即利用两个表面之间的压力将机械能转化为电能，反之亦然。简单来说，当受到机械应力时，某些材料会产生电荷，或者在施加电场的情况下，材料的尺寸会发生变化，这就是所谓的"直接压电效应"。
◉ 发明：利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
◉ 本发明技术说明:
某些材料（天然或合成）的压电效应源于晶体单元的不对称性以及由材料结构的机械应力和位移引起的电偶极子。锆钛酸铅（PZT）是一种具有高压电性能的合成压电陶瓷材料。此外，铌酸镁铅（PMN）和钛酸铅（PT）等其他材料也因其压电陶瓷特性而在航空航天工业中有着广泛的应用。事实上，锆钛酸铅（PZT）是一种合成的多晶陶瓷材料，其在空间推进系统的传感器和执行器中的应用（比其他压电材料更为广泛）更为普遍。天然单晶，例如石英和电气石，也是自然界中压电材料的例子，但晶体要具有压电特性，必须不具有内部对称中心，尽管并非所有偏心晶体材料都具有完全的压电特性。
◉ 发明：利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
诸如锆钛酸铅（PZT）和钛酸钡等合成陶瓷材料是多晶体，本身并不具有压电性，需要直流电场才能使其晶体偶极子沿电场方向排列，从而产生压电特性。使晶体偶极子取向排列的过程称为极化，极化后，陶瓷会产生净偶极矩，并对电场或机械应力做出线性响应。这种特性使得晶体材料被广泛应用于各种压电传感器的结构中。
压电传感器无需外部电源，因为它们能够利用压电效应，通过对施加的物理应变产生输出信号，并有效地产生和测量压缩力。由于压电传感器能够将物理参数转换为电能，因此它们可以将加速度或物理压力转换为可测量的电荷。尽管尺寸很小，压电传感器对压力的响应速度却非常快。正因如此，在本发明的设计中，我采用了大量小型压电传感器并联安装在汽车轮胎外轴线周围的方案。
◉ 发明：利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
本发明所用的"压电压力传感器"结构由膜片和压电晶体组成。这些传感器能够灵敏地感知任何大小的物理压力，并通过移动薄金属膜片来检测压力值。该膜片安装在传感器上，当压力变化导致膜片弯曲时，会对压电晶体产生压力。到达晶体表面的电荷极性与压力变化成反比，换言之，当石英晶体受到压缩时，会产生与压力大小成正比的电压。
这些压电传感器的工作原理是向晶体施加机械能。当对传感器施加压力时，会产生一个微弱的电场。由于该电场不足以使内部摩擦方向一致，晶体仅表现为普通介电材料的特性，因此极化强度与电场强度之间呈线性关系。但随着电场强度的增强，部分极化方向与电场方向相反的负极区域之间的内部摩擦会向电场正方向移动，从而导致电荷取向发生改变。这种电荷取向的改变是由电场强度的增强引起的，使得极化强度迅速增加。
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◉ 类别：世界各地发明家的新发明
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压电晶体夹在两块通常处于完美平衡状态的小圆形金属板之间。金属板对晶体材料施加物理应力或机械力，导致晶体中的电荷失去平衡，并在晶体两侧产生过量的正负电荷。小圆形金属板收集这些电荷，最终用于产生电压，并通过内部电路将电流输送到车辆中的其他电子元件。
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◉ 类别：世界各地发明家的新发明
正如本文末尾视频所示，汽车轮胎的设计由几个独立部件组成。轮胎外轴上安装了一套压电传感器装置，而轮胎内侧则安装了用于临时存储并随后在汽车电子电路中使用的电荷传输装置。轮胎外轴上模制有一条中间宽槽和两条两侧平行槽。中间槽用于安装带有压电传感器的橡胶条，这些传感器成对平行排列，彼此间隔4厘米，环绕橡胶条外表面。压电传感器环形橡胶条的直径和半径经过精心设计，使其在安装（压制和密封）到中间槽后，能够与轮胎外轴对齐并齐平。
压电传感器环与轮胎外表面的精确对准是该创新系统的重要组成部分。如果轮胎表面不平整，车辆重量的压力会损坏并变形传感器，导致传感器失去功能。通过将压电传感器环与轮胎对齐并调平，车辆的重量会转移到沟槽外侧的织物密度上。当轮胎旋转时，压电传感器不会受到压力，因此传感器晶体上的机械应力直接取决于传感器对准的准确程度。此时，由于传感器处于中性状态，不会产生电荷。为了解决这个问题，并对传感器环施加低而可控的压力，我设计了一种"橡胶致动器"，用于在轮胎中心沟槽上产生压力。这种"压力致动器"是位于轮胎外表面的柔性反应橡胶翼，形状统一，并与轮胎环密封连接。
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◉ 类别：世界各地发明家的新发明
除了对压电传感器施加可控压力外，"压力致动器"还负责激发和驱动车辆运动，从而降低发动机负荷，进而降低油耗。这一特性源于轮胎极高的弹性、柔韧性和可逆性，使其能够恢复到充气前的初始状态。当每个柔性翼片接触路面时，它们会被压缩（收缩）；脱离路面后，它们会迅速展开（膨胀），恢复到充气前的状态。当车辆的四个车轮都配备这种"压力致动器"的膨胀展开系统时，车辆在受到双弹性压力（由四个车轮的运动产生）作用时，便会进入前向阻力状态。为了进一步提升前向阻力性能，我还设计了两个功能类似的"压力致动器"，分别安装在每个轮胎两侧的沟槽中，从而使"致动器"的膨胀压力能够达到最大效率。
正如本文视频所示，压电传感器被激发产生电荷后，产生的电能通过随车轮旋转的传送辊传递到轮辋内侧的圆形铜条上，再经由导线网络传输到桥式整流器模块，将交流输入转换为直流输出。然后，为了在磁场中存储能量，电荷被送入双端电感线圈。接下来，为了使存储的电流沿同一方向流过阳极和阴极，我们使用二极管。最后，为了存储两个彼此绝缘且靠近的表面之间的电荷积累，我们使用双端电容器。由此产生的电能可以存储在电池中，并用于部分汽车电子电路的供电，从而减轻发电机或汽车电池的发电负担。
◉ 发明：利用配备压电轮胎的车轮在汽车中实现自主发电
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◉ 类别：世界各地发明家的新发明
在本文结尾，我认为有必要再次强调，当我们拉伸或挤压压电晶体时，其材料结构会发生变化，并且晶体中会出现不同程度的电荷，具体取决于压力的类型和形式。因此，了解压电晶体的特性对于在汽车轮胎中设计和使用压电效应至关重要。基于压电效应的压电传感器可以利用横向力、纵向力或剪切力，同时对电场和电磁辐射不敏感。这些传感器在很宽的温度范围内都能线性工作，因此是温度变化环境的理想传感器。但是，对于高温应用，我们必须在此类传感器中使用压痕模块、挡板隔膜或隔热罩。压电晶体传感器适用于汽车轮胎等运动物体，因为大多数此类传感器用于测量动态和运动压力，而通常不适用于测量静态压力。
与其他发明一样，这项发明也具有进一步发展和优化的潜力，使用这种压电橡胶可以显著帮助消除各种车辆电子电路发电方面的限制。
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◉ 一段关于汽车利用压电轮胎自主发电的视频 / 类别：发明，作者：阿里·普拉赫迈德
◉ 本视频动画创作者：Ali Pourahmad
◉ 本视频的音乐作曲家：Ali Pourahmad
◉ 叙述者：阿里·普拉哈迈德
◉ 语言：英语
◉ 字幕：无
本文作者及发明人简介:👇
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◉ 阿里·普拉哈迈德奖
◉ 阿里·普拉哈马德的画作
◉ Ali Pourahmad 器乐
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