趙迎賓 王佳杰 王涵 劉夢瑤 張桐桐

摘 要：以道路工程為背景，對一體化智能壓電發(fā)電路面的制備與電能輸出進行了研究與設計。利用軟件對壓電元件尺寸進行優(yōu)化，通過馬歇爾設計方法與體積制備設計方法設計出的瀝青混合料的體積性能、高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能均能滿足我國的瀝青混合料技術規(guī)范，具有良好的路用性能，并與壓電元件具有良好的相容性。壓電元件的開路峰值電壓隨著壓應力的增加而增加，且單片厚度大的元件的開路峰值電壓較高，增加趨勢更快，施加較低的頻率對壓電元件的電壓輸出影響極小。智能壓電發(fā)電路面的開路電壓隨著埋鋪深度的增加而減小，隨著壓電元件總厚度、車輪荷載的增加而增加;開路電流隨著壓電元件并聯(lián)數(shù)量的增加而增加。芯片的電能采集效果和效率均優(yōu)于橋式整流電路型單元采集電路。研究結果表明，智能壓電發(fā)電路面具有良好的路用性能，其存儲的電能雖然輸出功率小，但通過矩陣式聚集化儲能后可供壓力傳感器、紅綠燈系統(tǒng)、路燈等低功率電子器件使用。

關鍵詞：壓電發(fā)電;瀝青混凝土;材料組成與制備;能量采集與存儲

1 壓電發(fā)電路面研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

日、美等發(fā)達國家對于壓電發(fā)電自助供電系統(tǒng)進行了多年研究，取得了良好進展，尤其日本在應用方面更走在世界前列。

2006—2009年，東日本旅客鐵道株式會社在東京火車站進行過三次發(fā)電地板試驗，乘客通過自動檢票口時可產(chǎn)生使燈泡發(fā)光0.1 s的電力。2010年上海世博會，日本館展示了壓電發(fā)電地板，參觀者輕輕幾步就可將電燈點亮。

日本的NEC等公司聯(lián)合開發(fā)了新型發(fā)光道路標識，該標識可以利用汽車駛過時所產(chǎn)生的風能，并利用壓電元件將風能轉換為電能，從而點亮發(fā)光二極管。若將其安置在公路隧道內(nèi)，可以有效降低隧道內(nèi)的電能消耗，提高標識清晰度與行駛安全。

Goldfarb等人建立了一個分析模型，研究了壓電疊堆材料的發(fā)電效率，試驗結果表明，影響壓電材料發(fā)電效率的根本原因是壓電材料產(chǎn)生了大量能量，但多數(shù)能量存儲在本身，并把它返回給了導致產(chǎn)生初始電荷的激勵源。當壓電陶瓷和串眹有外載的電容并聯(lián)時，這種現(xiàn)象極其明顯。此外，研究表明壓電疊堆的發(fā)電效率在外界激勵頻率為5 Hz時達到最大。

UCBerkeley分校的Roundy和Wright分別研究了在壓電轉換和靜電轉換兩種不同環(huán)境下的能量收集方式，研究表明，壓電發(fā)電比靜電發(fā)電單位體積轉換的電能多。

VirginiaTech University的Sodano等研究了壓電單晶片、壓電作動器和壓電纖維復合材料，將環(huán)境中所產(chǎn)生的振動能量轉換為電能，并測試對鎳金屬混合電池充電的能力。結果表明，壓電作動器和壓電單晶片均能夠為可充電電池充電，在相同的隨機振動環(huán)境里壓電單晶片的充電效率為三者最高。

Taylor等將壓電聚合物（PVDF）安裝在旗面上，通過固定端的設計，讓迎面而來的流體產(chǎn)生渦流，使旗子像鰻魚一樣擺動，利用水流或洋流發(fā)電。

Bramovic等人在普通路面埋入了大量壓電晶體，當汽車碾壓時，所產(chǎn)生的機械能就會被轉換為電能。據(jù)中央電視臺等媒體報道，該課題組宣稱這種路面能產(chǎn)生100～400 kW/km

電能。這種壓電晶體的使用壽命極長，理論上可超過30年，可應用在鐵路和公路等交通設施上。目前，該課題組已經(jīng)進行了小規(guī)模室內(nèi)試驗及1 km試驗段路面試驗。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國有關研究機構也在積極開展能量回收研究工作。在上海舉行的全國科技活動周上，中科院上海硅酸鹽所在南京路上向大眾演示了自己開發(fā)的壓電發(fā)電裝置。

西安交通大學曹秉剛等人介紹了利用振動能量產(chǎn)生電能，并采用相關控制方法提供給道路燈具和其他路政作為工作能源的方法。大連理工大學魏雙會等人把發(fā)電裝置植入鞋底，通過走路時腳對鞋底的沖擊使壓電陶瓷變形而產(chǎn)生電荷。吉林大學閆世偉等人在之前的研究基礎上，從理論和實驗兩方面研究壓電材料發(fā)電效率的影響因素，設計了一個具有壓電發(fā)電、控制電路與存儲模塊的能量轉換系統(tǒng)，并對壓電發(fā)電裝置進行了優(yōu)化設計。此外，他們還嘗試將優(yōu)化設計制備的壓電發(fā)電裝置應用到RF無線射頻系統(tǒng)中。大連理工大學張海軍等人設計了一種帶有質(zhì)量塊的硅微壓電懸臂梁，并與金屬彈性層壓電發(fā)電裝置進行對比，試驗結果表明，前者在附近的振動驅動下輸出電壓約為0.015 V;后者在其固有振動頻率100 Hz左右振動時，系統(tǒng)輸出電壓達10 V以上，對純電阻耗能元件的輸出功率約達100 μW。

1.3 團隊研究內(nèi)容與技術路線

擬將壓電材料植入瀝青混凝土，通過制備埋入式壓電瀝青混凝土，探討智能壓電發(fā)電路面的力電特性，并進一步研究埋入式壓電瀝青混凝土的電能輸出及能量采集，從而使瀝青混凝土不僅僅作為路面材料，而作為多元化、智能化的載體使用，為開發(fā)新型綠色能源提供新思路和基礎。

（1）埋入式壓電元件的制備：采用ANSYS12.0軟件對壓電元件的尺寸進行優(yōu)化，并模擬計算其最優(yōu)電壓輸出。采用傳統(tǒng)氧化物固相反應方法預合成粉體并極化，制備出具有優(yōu)良壓電性能的壓電元件。

（2）智能壓電發(fā)電路面的制備：分析壓電發(fā)電路面的性能，提出壓電發(fā)電路面的材料組成設計和制備方法。設計瀝青混凝土材料的組成，確定粗集料、細集料、礦粉及瀝青材料相互配合的最佳組成比例，采用LabVIEW8.5進行電能輸出仿真分析，最后使之既能滿足瀝青混合料的技術要求又能滿足壓電材料的埋鋪，并與埋入式壓電元件具有良好的兼容性。

（3）智能壓電發(fā)電路面的力電分析：建立智能壓電發(fā)電路面的力電耦合模型，通過力電特性加以驗證。

（4）智能壓電發(fā)電路面的電學輸出研究：制備智能壓電發(fā)電路面，然后分別測試不同埋鋪深度、不同壓電材料總厚度、不同車輪荷載、不同數(shù)量壓電材料并聯(lián)情況下的電能輸出。最后結合室內(nèi)實驗，分別通過普通的橋式整流+DC-DC采集電路研究能量采集。

2 智能壓電發(fā)電路面的制備

2.1 壓電發(fā)電路面元件尺寸設計

軟件處理過程主要包括前處理、分析計算和后處理。前處理包括用戶簡單繪制有限元模型，并提供強大的網(wǎng)格劃分工具;分析計算包括結構分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理是將分析計算的結果以云圖和彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示圖方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

通過ANSYS12.0軟件對壓電元件建立直接耦合場的有限元模型并進行分析。在ANSYS12.0中有很多單元可以用來分析壓電元件，例如SOLID5，PLANEI，SOLID98，PLANE223，SOLID226，SOLID227等，本節(jié)選用SOLIDS單元模擬壓電陶瓷元件，選用SOLID45單元模擬環(huán)氧樹脂及銅箔。各材料的基本性能見表1所列。

（1）將壓電元件理入瀝青混凝土中，如果壓電元件的尺寸過大則對瀝青混凝土的結構影響較大，因此，將壓電元件的厚度固定為4 mm，外徑固定為18 mm，變化壓電元件的內(nèi)徑分別為0 mm，3 mm，6 mm，10 mm，15 mm。不同內(nèi)徑壓電元件的電壓模擬值如圖1所示。

從圖可以看出，壓電元件的輸出電壓隨著內(nèi)徑的增加而增加，當內(nèi)徑為10 mm時，壓電元件的電壓出現(xiàn)明顯的增加趨勢?？紤]到壓電元件的強度問題，空心圓柱體的內(nèi)外徑比為0.6：1.0時其強度最合理。所以，將壓電元件的直徑尺寸定為外徑18 mm，內(nèi)徑10 mm。

（2）采用前文確定的壓電元件內(nèi)外徑，變換壓電元件的厚度，分別為2 mm，3 mm，4 mm，5 mm。不同厚度壓電元件的電壓模擬值如圖2所示。

從圖2可以看出，壓電元件的輸出電壓隨著厚度的增加而增加，并具有明顯的線性關系。壓電材料屬于高電壓、低電流的小功率元件，需要將若干壓電元件并聯(lián)。結合瀝青混凝土的集料尺寸，將壓電元件的厚度尺寸定為4 mm。

（3）封裝后的單片壓電元件的電壓輸出采用ANSYS模擬，將優(yōu)化好尺寸的壓電元件（外徑18 mm，內(nèi)徑10 mm，厚度4 mm）用銅箔及環(huán)氧樹脂封裝好后施加0.7 MPa的瞬間壓應力，封裝的單片壓電元件的電壓輸出為63.146 V。

2.2 壓電發(fā)電路面元件的制備

采用傳統(tǒng)氧化物固相反應的方法預合成PMnS-PZN-PZT粉體，摻雜0.45 wt% Fe2O3，并將其制備成電片并極化，經(jīng)測試，壓電性能優(yōu)良。

按化學計量比稱量各氧化物，將混合粉料在無水乙醇介質(zhì)中用球磨機球磨16 h，將濕料在70 ℃下烘干，烘干后加5%的聚乙烯醇（PVA）均勻造粒并密封陳腐16 h，在100 MPa壓力下干壓成型，將成型后的坯體在800 ℃溫度下進行排膠，在1 200～1 260 ℃氣氛中燒結4 h。將陶瓷圓片打磨拋光、清洗、烘干，在兩面涂覆銀漿，于850 ℃溫度下燒滲銀電極。在120 ℃的硅油中加電壓3 kV/mL，極化15 min，在室溫下靜置24 h后測試其電性能。

埋入式壓電元件的連接方式為物理串聯(lián)，電學并聯(lián)。將制備好的壓電元件單片浸入到裝有環(huán)氧樹脂的模具中封裝。

2.3 智能壓電發(fā)電路面的制備

（1）壓電材料：選擇具有自發(fā)極化作用的無機壓電晶體材料Tourmaline粉、Tourmaline負離子粉（常見且成本低、壓電特性好）及壓電電荷常數(shù)較高的無機壓電陶瓷鋯鈦酸鉛粉用于制作智能發(fā)電路面產(chǎn)品，為方便書寫，分別以A，B和C代指上述3種材料，其中壓電材料A，B是兩種原生礦物，具有壓電、熱電效應以及自發(fā)極化效應，在應力作用下晶體內(nèi)部正負極性中心不重合從而產(chǎn)生電荷，是較為理想的發(fā)電路面壓電材料。而壓電材料被應用于瀝青混凝土時，將被瀝青包裹以瀝青膠漿的形式存在于混合物中，壓電性能將會產(chǎn)生一定的變化。采用ZJ-3A型準靜態(tài)測試儀進行壓電常數(shù)測試，采用HP4294A精密阻抗分析儀在頻率1 kHz下測量樣品介電電容和介質(zhì)損耗，測量溫度范圍為室溫至180 ℃，升溫速率為5 ℃/min，計算得到樣品介電常數(shù)。壓電材料主要性能指標見表2所列。

測試結果表明，壓電材料A，B和C在常規(guī)狀態(tài)下壓電性能優(yōu)異，且壓電礦物/瀝青復合材料相較純礦物材料壓電性能無明顯降低，證明壓電材料在瀝青中仍可較好地發(fā)揮壓電性能，因此可用于壓電發(fā)電瀝青混凝土的制備。

（2）導電材料：普通瀝青混凝土導電性能較差，不利于壓電材料產(chǎn)生電荷的流動，但已有相關研究表明，在瀝青混合料中摻加一定體積分數(shù)的石墨材料可有效提高瀝青混合料的導電性能，且其路用性能能夠滿足規(guī)范要求，因此選定石墨粉體作為導電材料。導電電極是電荷收集的關鍵一環(huán)，我們根據(jù)道路受力特性選取耐久性較好的結構，考慮到施工便利性，選擇常見的石墨電極和金屬網(wǎng)電極作為電能收集裝置，電極埋設前通過導電膠在其表面覆蓋粘結一定量的導電石墨以提高電極對電荷的收集能力，基于上述材料進行智能發(fā)電路面的制備及能量輸出研究。

（3）瀝青及集料：所用瀝青為SBSI-D型改性瀝青，試驗檢測結果表明，瀝青各項技術指標均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20—2011）中規(guī)定的質(zhì)量要求;所用粗集料為優(yōu)質(zhì)玄武巖，細集料為機制砂，礦粉為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉，集料與礦粉潔凈、干燥、無雜質(zhì)。試驗檢測結果表明，集料與礦粉各項技術指標均符合《公路瀝青路面設計

規(guī)范》（JTJD50—2006）和《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTGF40—2004）相關規(guī)定。

2.4 壓電發(fā)電瀝青混凝土配合比設計

在進行智能發(fā)電路面產(chǎn)品配合比設計時，需綜合考慮高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、耐疲勞性能等影響因素采用AC-13級配類型作為研究基體。依據(jù)我國《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTGF40—2004）規(guī)定，通過馬歇爾試驗確定其最佳瀝青用量為4.9%，但依此最佳瀝青用量拌和加入石墨后，集料表面瀝青量明顯不足。分析原因：石墨密度較小且體積易膨脹，吸油性極強導致混凝土中有效瀝青不足。所以采用馬歇爾試驗法重新確定智能發(fā)電路面產(chǎn)品的最佳瀝青用量為5.9%，壓電材料用量為礦粉質(zhì)量比例的20%，而由于石墨材料密度小于礦粉且體積易膨脹，等質(zhì)量摻入時易改變混合料體積分數(shù)，因此確定石墨摻入體積分數(shù)為礦粉體積比例的30%。

2.5 智能發(fā)電路面路用性能檢測

智能發(fā)電路面具備壓電功效的同時路用性能須滿足規(guī)范要求，因此按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20—2011）的要求，檢驗壓電發(fā)電瀝青混凝土的各項路用性能，以分析壓電材料、導電材料等對壓電瀝青混凝土智能發(fā)電路面產(chǎn)品路用性能的影響。3種壓電發(fā)電瀝青混凝土的路用性能與SBS瀝青混凝土相比，高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)性能均有小幅度降低，而抗疲勞性能略有提高，但整體而言，各性能相差不大。因此，本產(chǎn)品具備傳統(tǒng)瀝青路面的基本功能，能夠滿足汽車的正常行駛等需求。

2.6 智能發(fā)電路面結構設計與制作

依據(jù)壓電材料電荷產(chǎn)生特性，壓電發(fā)電路面的電能產(chǎn)生主要包括兩種形式。圖3（a）為d31型發(fā)電路面能量產(chǎn)生示意圖，當壓電模型受到力的作用時，電荷在垂直于受力方向產(chǎn)生并收集;圖3（b）為d33型發(fā)電路面能量產(chǎn)生示意圖，當壓電模型受到力的作用時，電荷在平行于受力方向產(chǎn)生并收集。

在行車荷載作用下，若想有效收集電能則必須根據(jù)電荷的移動方向、位置布設導電電極，基于電能產(chǎn)生原理，結合石墨電極和金屬電極的工作特點，設計出兩種發(fā)電路面電極布置方式及能量輸出電路，如圖4所示。當采用石墨電極時，電極橫向間隔連接，發(fā)電路面即為d31型壓電體構件，在行車荷載作用下壓電材料內(nèi)部的電荷向石墨電極方向移動，并通過導線將其集結到電能收集器中予以轉換存儲，如圖4（a）所示。當電極采用金屬網(wǎng)時，電極網(wǎng)上下分層布設，發(fā)電路面即為d33型壓電構件，在行車荷載作用下壓電材料內(nèi)部的電荷向金屬網(wǎng)方向移動，通過導線將其集結到電能收集器中，如圖4（b）所示。

依據(jù)上述智能發(fā)電路面壓電瀝青混凝土發(fā)電路面結構布設方案，通過改進普通瀝青混合料車轍板試件成型方法，制備得到試驗測試用小型發(fā)電路面試件，試件制備步驟：根據(jù)電極埋設深度加工制作厚度尺寸為300 mm×300 mm的剛性墊板，放置于試模內(nèi)，澆注下層普通瀝青混凝土，成型并取出剛性墊板;將下層普通瀝青混凝土放置于試模內(nèi)，參照規(guī)范要求進行層間處置，沿輪跡分布帶布設電極，其中石墨材料電極尺寸為10 mm×50 mm，金屬網(wǎng)為由磷銅絲加工定制編織而成的120目電極網(wǎng)，繼而鋪筑壓電混凝土，制備得到尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的小型發(fā)電路面測試試件，制作過程中應注意電極不被人為因素破壞或大幅挪移位置。

2.7 智能發(fā)電路面瀝青壓電混凝土電性能測試方法與指標

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20—2011）要求的方法分別成型d31，d33型智能發(fā)電路面試件，通過車轍試驗儀膠輪對其施加0.7 MPa的直接往復碾壓作用力

（21次/min，15 Hz），采用RIGOL示波器測試其能量輸出狀況。為更精確地進行壓電性能測試，考慮輸出電壓較為微小，故采用信號放大裝置對輸出電壓進行放大處理，并通過示波器記錄測試結果。在無絕緣狀態(tài)下進行電性能檢測時，示波器檢測出較高電壓，頻率約為50 Hz，連接的LED燈珠（工作電壓為1.8～

2.2 V）未出現(xiàn)毀壞、點亮等現(xiàn)象。究其原因，試驗設備為大型用電儀器，易受環(huán)境感應電場的影響，導致測試結果出現(xiàn)偏差。因此，在試件四周底部增設絕緣耐高溫塑膠隔離層后采用上述解決方案檢測d33壓電發(fā)電瀝青混凝土的壓電性能，調(diào)節(jié)信號放大器進行10倍放大以觀測結果，經(jīng)換算后記錄真實測試結果見表3所列。

從表3中可以看出，絕緣處理發(fā)電路面電壓實測數(shù)值較小，表明該處理措施能夠有效隔絕車轍儀周圍感應電場的影響，使壓電性能得以真實表露。發(fā)電路面試件內(nèi)部壓電材料分散，與瀝青以瀝青膠漿的形式存在，在路面結構中起到填充集料孔隙的作用，僅受拉應力或很小的壓應力作用，相關激勵微弱導致產(chǎn)生電荷量較少，同時石墨粉僅能使部分電子流動，加之瀝青混凝土內(nèi)阻較大，因此呈現(xiàn)低電壓現(xiàn)象。另外，壓電輸出頻率為17～20 Hz，與民用交流電工頻出現(xiàn)了較大差距，試驗時已排除各種干擾因素，測試結果即為智能發(fā)電路面壓電發(fā)電瀝青混凝土產(chǎn)品的電壓頻率，表明絕緣處理下的壓電發(fā)電瀝青混凝土能夠產(chǎn)生電荷。

2.8 壓電纖維發(fā)電路面瀝青混凝土壓電性能

壓電粉體材料由于所受應力、應變較小，產(chǎn)生電荷較少。而纖維在瀝青混合料中可形成三維網(wǎng)狀體，在較小的壓應力作用下可產(chǎn)生較大的應變，故壓電材料以纖維狀態(tài)存在時，更有利于其壓電性能的發(fā)揮。

壓電纖維是以壓電礦物A為基體，通過摻加一定提高力學特性的輔助材料，基于溶膠-凝膠法制備得到連續(xù)、均勻的壓電纖維。以發(fā)電路面壓電瀝青混凝土配合比設計及制備方案為基礎，將少量壓電纖維通過外摻投入方式拌和制備得到壓電纖維發(fā)電路面瀝青混凝土，檢測混凝土壓電性能結果見表4所列。

從表5可以看出，加入壓電纖維材料的d33型壓電發(fā)電路面瀝青混凝土在荷載作用下的壓電性能可達到1.5 V，相比普通壓電材料壓電發(fā)電瀝青混凝土的壓電效果提高約1.4 V，同時輸出頻率保持在17.2～20.4 Hz，表明該瀝青混凝土具備壓電發(fā)電功能，同時壓電材料纖維化處置措施能夠一定程度提高輸出效果。

2.9 極化處理壓電發(fā)電路面壓電性能

極化工藝對壓電材料壓電性能的表征有著重要的影響，合理的極化工藝需采用較優(yōu)的極化條件，即選擇合適的極化電場強（E）、極化溫度（T）和極化時間（t），三者之間緊密聯(lián)系，若極化電場弱，則可通過提高溫度和延長極化時間來彌補;若電場較強、溫度較高，則可適當縮短極化時間。由于壓電材料A，B，C具有自發(fā)極化效應，壓電發(fā)電瀝青混凝土極化與普通壓電材料極化的目的不同，僅需將壓電發(fā)電瀝青混凝土中紊亂的自發(fā)極化方向調(diào)整一致即可，因此所需能量較少，故所選極化電壓為220 V，極化溫度為50 ℃，為提高極化程度，合理延長極化時間，設定為6 h。

加入壓電材料A纖維的壓電發(fā)電瀝青混凝土輸出電壓最高可達24 V，B和C兩種壓電材料瀝青混凝土試件壓電性能明顯提升，相較之前的處置措施具備3～4倍的提升功效，保持在可采集利用的范圍內(nèi);同時其輸出頻率保持在16.3～19.7 Hz范圍內(nèi)，接近路面的固有振動頻率15 Hz，與理論分析保持較高的一致性，表現(xiàn)出更為顯著的壓電性能，表明極化處理對于有效改善壓電發(fā)電瀝青混凝土電能輸出效果至關重要。

3 智能壓電發(fā)電路面的力電分析

壓電材料具有優(yōu)良的力電耦合特性，在現(xiàn)代工業(yè)、交通、醫(yī)療和航空航天等領域得到廣泛應用。近年來，壓電發(fā)電、無線供能以及無損檢測技術成為該領域新的研究熱點?；谥苽涞闹悄軌弘姲l(fā)電路面建立其力電耦合模型。

3.1 智能壓電發(fā)電路面力電耦合模型

埋入瀝青混凝土內(nèi)部的壓電陶瓷元件的上下表面有一定的應變，因此力學邊界條件屬于機械自由;電學邊界條件屬于電學開路。集總參數(shù)模型首先假設系統(tǒng)的物理尺寸遠遠小于電學、力學以及聲學的尺寸特性。同時，系統(tǒng)的空間與時間變化被解耦分離。如圖5所示，智能壓電發(fā)電路面可以看做是包含壓電元件的振動機械結構，如果該結構被其諧振頻率所激勵而產(chǎn)生線性微小位移，那么埋有壓電元件的瀝青混凝土可以被模擬為一個含有質(zhì)量塊、彈簧、阻尼、壓電元件的系統(tǒng)。

圖5 智能壓電發(fā)電路面等效振動機械結構

在該模型中，機械結構包含質(zhì)量塊M，相當于機械結構剛度的彈簧K，相當于結構機械損失的阻尼D，以及具有一定厚度t和面積A的壓電元件。質(zhì)量塊M受施加到系統(tǒng)上的外力F與系統(tǒng)內(nèi)力的同時作用。外力F是作用于機械結構的外部機械激勵，內(nèi)力可分解為壓電陶瓷對質(zhì)量塊的作用力FP、彈簧的彈性力、阻尼器的粘性阻力。

假設質(zhì)量塊M的位移為x，壓電陶瓷輸出的電壓和電流分別為UP和I，質(zhì)量塊M在壓電陶瓷上的作用力FP可以分解為一個彈性系數(shù)為KP的彈簧彈性力和一個電壓控制力αUP。KP為壓電陶瓷短路彈性系數(shù)、C0為受火電容、α為應力因子。

3.2 埋入式壓電元件力電特性實驗研究

如果把瀝青混凝土路面結構看成是一個振動系統(tǒng)，則行車荷載的沖擊作用是振動系統(tǒng)的激勵或輸入，路面產(chǎn)生的響應，如位移、應力、形變等為振動系統(tǒng)的響應或輸出。

在長安大學測試中心，應用材料測試機MTS810（MaterialTestSystem，MTSCo.U.S.A.）對8片×3 mm，6片×

4 mm的壓電元件施加1 000～5 000 N，頻率為10 Hz的正弦波荷載，通過萬用表對電元件的開路電壓進行觀察，記錄其峰值電壓并與計算值進行比較。測試結果如圖6所示。

從圖6可以看出，在10 Hz頻率條件下，壓電元件的開路峰值電壓隨著壓應力的增加而增加。由斜率可知，單片厚度大的元件的開路峰值電壓比較高，且增加趨勢更快。

從圖中可以看出，施加荷載的頻率對壓電元件的峰值電壓輸出影響不大，是因為壓電元件具有自身的諧振頻率，壓電元件在諧振頻率處阻抗最小，輸出功率最大。一般壓電元件的諧振頻率在幾千Hz左右，而瀝青路面行車荷載的簡諧振動頻率遠遠低于該頻率，因此施加應力的頻率對壓電元件的電壓輸出影響極小。1 000 N正弦波荷載不同頻率作用下不同厚度片數(shù)壓電元件的峰值電壓如圖7所示。

4 智能壓電發(fā)電路面的電學輸出研究計算

目前，利用道路進行發(fā)電主要采用壓電技術，將壓電換能器鋪設于路面的減振層中，將經(jīng)過車輛的振動能量進行收集并通過電力裝置轉換為電能，由控制系統(tǒng)將電能存儲并利用。考慮將智能壓電發(fā)電路面置于車轍試驗儀及成型儀中，利用Keithley2700多通道數(shù)據(jù)采集儀，測試不同的埋鋪深度、不同厚度、不同荷載、不同數(shù)量元件并聯(lián)所產(chǎn)生的開路電壓及電流。

4.1 試驗系統(tǒng)

車轍試驗儀為今谷神箭型QCZ-6型自動車轍試驗儀，各項參數(shù)見表6所列。車轍試驗儀主要用于瀝青混合料的高溫抗車轍能力，也可用于瀝青混合料配合比的設計和輔助檢驗。

4.2 智能壓電發(fā)電路面的豎向應力分析利用Bisar3.0軟件模擬車轍試驗情況，車轍試驗時將32 mm（8片×4 mm）壓電元件埋入筋青混合料中，埋鋪深度為16 mm，測試其在輪載壓力0.7 MPa下的豎向應力分布。選擇壓應力與半徑模式;將車轍試驗儀的碾壓面積20 mm×50 mm換算成當量直徑的圓面積，半徑約17.8 mm。

智能壓電發(fā)電路面不同豎向深度的壓應力明顯高于普通的瀝青混合料，原因在于瀝青混合料的楊氏模量較小，而壓電陶瓷元件的楊氏模量較大。

埋入式壓電瀝青混合料中，第1片壓電陶瓷元件表面所受的壓應力為0.566 4 MPa，第8片元件表面所受的壓應力僅為0.194 3 MPa，表明每一片壓電陶瓷元件的豎向受壓應力不同，隨著深度的加深逐漸減小，并具有一定的線性關系，置信度為0.979 5。

4.3 智能壓電發(fā)電路面的電學輸出考慮將智能壓電發(fā)電路面置于車轍試驗儀及成型儀中，利用Keith1ey2700多通道數(shù)據(jù)采集儀采集、測試埋有32 mm（8片×4 mm）壓電元件，埋鋪深度為16 mm的埋入式壓電瀝青混合料的開路電壓及電流，測試的輪載壓力為0.7 MPa，并以此為對比對象測試在不同埋鋪深度、不同厚度、不同荷載條件下由不同數(shù)量元件并聯(lián)所產(chǎn)生的開路電壓及電流。結果發(fā)現(xiàn)，智能壓電發(fā)電路面的開路電壓輸出具有一定的脈沖性質(zhì)，其峰峰值可達32 V。將開路電壓波形與智能壓電發(fā)電路面的電壓計算值進行對比發(fā)現(xiàn)，開路電壓的實測值略低于計算值，原因在于埋入式壓電元件中的壓電片是以物理串聯(lián)、電學并聯(lián)的形式相連接，而每一片的壓電元件所受的豎向壓應力并不相同，使得每個壓電片所產(chǎn)生的電能也不相同。因此，將若干個高電壓、低電流、高內(nèi)阻的壓電片電學并聯(lián)使電壓輸出趨于平衡。采用BISAR3.0軟件模擬車轍試件存在一定的誤差，且計算時取鐵電極表明豎向壓應力，導致開路電壓的實測值與計算值存在微小誤差。

4.3.1 不同埋鋪深度下的電學輸出將32 mm（8片×4 mm）的壓電元件埋入瀝青混合料中，埋鋪深度為10 mm，測試其在輪載壓力0.7 MPa下的開路電壓并與前文中智能壓電發(fā)電路面的對比試樣進行對比。

利用Bisar3.0軟件重新計算理鋪深度為10 mm的埋入式壓電瀝青混合料的豎向應力變化，結果見表8所列;計算該深度下埋入式壓電發(fā)電路面的開路電壓輸出值;在壓電元件埋鋪位置預先鋪設一些粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料，厚度約為7 mm（松鋪系數(shù)約為1.15），以保證壓電元件的埋鋪深度為10 mm;將壓電元件埋入并碾壓成型。埋鋪深度為10 mm的埋入式壓電瀝青混合料的豎向應力見表7所列。

4.3.2 不同總厚度壓電材料的電學輸出目前，我國新通車的公路中，約80%以上的路面采用瀝青混凝土路面，且已成為我國公路發(fā)展建設過程中所采用的主要路面結構形式。

瀝青混凝土路面的厚度對路面強度、穩(wěn)定度、平整度等都具有較大的影響。按規(guī)定要求，瀝青混凝上（AC類型級配的瀝青混凝土）每層的壓實厚度不宜小于集料公稱最大粒徑的2.5～3倍。根據(jù)壓電元件相容性的試驗結果可知，AC-10型瀝青混合料的壓實厚度不低于30 mm。目前，瀝青混凝土路面的上面層厚度一般為40 mm。因此，將最佳單片尺寸的壓電陶瓷元件封裝成不同厚度的壓電元件，厚度分別為24 mm（6片

4 mm），16 mm（4片4 mm）。將上述單個壓電元件埋入瀝青混合料之中，埋鋪深度為16 mm，輪載壓力為0.7 MPa，測試其開路電壓并與智能壓電發(fā)電路面對比試樣進行對比研究。不同總厚度的埋入式壓電瀝青混凝土的豎向應力見表9所列。

在24 mm（6片4 mm）壓電元件埋鋪位置預先鋪設一些粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料，厚度約為9 mm（松鋪系數(shù)約為1.15）;在16 mm（4片4 mm）壓電元件埋鋪位置預先鋪設一些粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料，厚度約為18 mm（松鋪系數(shù)約為1.15），以保證壓電元件的埋鋪深度為16 mm;將壓電元件埋入并碾壓成型;利用Bisar3.0軟件重新計算埋入式壓電瀝青混合料各監(jiān)測點的豎向應力變化，結果如圖8所示;計算該深度下埋入式壓電瀝青混合料的開路電壓輸出值，試驗結果如圖9、圖10所示。

隨著壓電元件豎向深度的增加，埋入式瀝青混凝土內(nèi)部的豎向壓應力隨之減小，并呈現(xiàn)出一定的線性關系。同時，壓電元件在相同的豎向深度時，總厚度大的壓電元件所受的壓應力較大。由于車轍試件有所限制，當總厚度為32 mm時，壓電元件剛好與模具的底部鋼板接觸;總厚度為16 mm時，壓電元件埋入的底部預置了粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料。豎向壓應力的不同正是由于瀝青混合料與鋼板彈性模量的差異造成的。埋入的壓電元件的總厚度為24 mm時，智能壓電發(fā)電路面的開路電壓波形與對比試樣的波形一致，同樣具有脈沖性質(zhì)，且峰值可以達到30 V左右。埋入的壓電元件的總厚度為

16 mm時，智能壓電發(fā)電路面的開路電壓波形與對比試樣的波形一致，同樣具有脈沖性質(zhì)，且峰值可達29 V左右。

實驗結果表明，埋入式瀝青混凝土的開路電壓隨著壓電元件總厚度的增加而增加。盡管理想條件下的理入式壓電瀝青混凝土的開路電壓方程與壓電元件的總厚度無關，但由于總厚度不同，導致埋入的壓電元件所受壓應力也有所不同，所以埋入式壓電發(fā)電路面產(chǎn)生的開路電壓不同。

4.4 智能壓電發(fā)電路面的能量采集

標準的能量采集電路一般由全橋整流電路和一個電容以及負載組成。該電路對負載的要求較高，且能量采集的效率一般。為此，將標準能量采集電路接上DC-DC轉換電路以提高能量采集效率。此外，還有三種由微芯片處理控制的能量采集電路，包括并聯(lián)同步電荷存儲技術、電感同步開關能量存儲技術、串聯(lián)同步開關電感能量存儲技術，能量效率提高明顯，因此采用兩種不同的采集電路。

4.4.1 基于標準能量采集電路的充電研究

智能壓電發(fā)電路面將振動能轉化為電能后，屬于交流電能，需要將交流電能通過整流、濾波等手段將其變換為穩(wěn)定的直流電源輸出，通過能量捕獲電路將這部分電能儲存在存儲元件中。橋式整流濾波示意如圖11所示。

本文選擇的整流二極管為1N4148，其最高反向工作電壓為75 V，最大正向壓降為0.72 V，最大反向電流為50 μA，極間電容為4 pF，反向恢復時間為8 ns。橋式整流濾波電路的輸出電壓很固定，但不同電子器件的供電電壓不同，因此需要將傳統(tǒng)能量捕獲電路的固定直流電壓輸出轉換為需要的電壓，故選用DC-DC轉換芯片將橋式整流濾波電路的輸出電壓轉換為應用系統(tǒng)所需電壓。

本文將埋有一個壓電元件的瀝青混凝土與橋式整流濾波電路及DC-DC連接到一起，試驗條件為0.7 MPa荷載，碾壓頻率為42 次/min。

4.4.2 兩種能量采集電路對比

將兩種采集電路進行對比，5#鎳氫電池的充電結果如圖12所示，IF鉭電解超級電容充電的結果如圖13所示。

試驗結果表明，基于5#鎳氫電池及1F鉭電解的超級電容，使用LTC3588-1芯片進行電能儲存和采集的效果要明顯高于采用整流濾波+MA×666型DC-DC單元的采集電路。

5 智能壓電發(fā)電路面的節(jié)能減排效益分析

截至2016年底，我國機動車保有量為3.5億輛，其中汽車保有量為2.27億輛，這預示著我國已正式進入汽車時代。如此巨大的機動車保有量意味著在我國范圍內(nèi)道路將承受幾十億次的車輛荷載，道路在行車荷載的反復作用下發(fā)生振動、形變等一系列狀態(tài)變化，將行車荷載所帶來的能量轉化為動能和應變能，這些能量最終轉換成路面的熱能或其他能量，耗散在道路環(huán)境之中。據(jù)相關機構報道，普通城市主干道每天的交通量為15 000～20 000，相當于每條干路每天至少浪費30 000～40 000噸有機能源。如若將這部分能量收集與應用，開發(fā)發(fā)電路面不僅在道路工程方面實現(xiàn)學術性突破，更會為我國的經(jīng)濟和社會帶來無可估量的效益。

壓電發(fā)電路面是指將具有能量轉化能力的壓電元件植入瀝青路面內(nèi)部或表面，汽車在路面上行駛時，車輪擠壓壓電元件，其內(nèi)部的微晶體使其產(chǎn)生電荷，當數(shù)千個壓電元件被植入瀝青面內(nèi)部后，將在行車荷載的作用下產(chǎn)生巨大的電量。汽車在這種植入儲能材料的瀝青路面上行駛1.6 km便可產(chǎn)生640 kW·h的電量，可供1個200 W的燈泡連續(xù)照明7天。

目前，國內(nèi)外關于發(fā)電路面的研究仍處于起步階段，現(xiàn)有針對壓電換能器的能量輸出計算方法通常將壓電換能器放置于可提供一定振動加速度的定頻動力源（振動臺）上，借助振動狀態(tài)下的粘彈性微分方程從理論角度計算壓電換能器的電能輸出效果。

5.1 計算方法

（1）由行車交通時間分布特性可知，同時間段內(nèi)交通荷載通過的次數(shù)、速度均不相同，粘彈性模型中的荷載以某一固定頻率作用于路面，無法客觀反應行車荷載作用的次數(shù)以及荷載作用時間間隔等。

（2）道路系統(tǒng)中，交通量、軸載構成復雜導致粘彈性模型中的F（t）不能很好地模擬真實的道路行車荷載對發(fā)電路面的作用效果。

（3）路用壓電元件在路面中應用時會破壞路面結構的連續(xù)性，造成路面路用性能的應力性損傷甚至斷裂性破壞，模型中的彈塑性無法完全模擬路面內(nèi)部的受力狀況。

針對傳統(tǒng)壓電元件的壓電能量輸出計算方法在壓電發(fā)電路面應用中存在的不適用問題，團隊采用一種可信度高的壓電發(fā)電路面能量累積計算方法，該方法避免了傳統(tǒng)壓電元件的能量輸出研究方法在壓電發(fā)電路面使用中帶來的各種問題。

本研究報告針對傳統(tǒng)壓電發(fā)電能量計算方法在路面中應用存在的問題，采用國際壓電換能輸出計算方法，與國內(nèi)現(xiàn)有方法相比，具有如下效果：

（1）公式簡單，無需采用大型有限元軟件進行建模計算，只需借助小型軟件進行簡單應力分析就可計算，使用方便快捷;

（2）避免傳統(tǒng)能量輸出研究方法在發(fā)電路面中帶來的各種問題，有效考慮了行車荷載的隨機作用，消除了實際工程應用中行車荷載作用的次數(shù)及荷載作用時間間隔等工作狀態(tài)對計算的影響;

（3）適用于不同軸載、不同交通環(huán)境下的發(fā)電路面的電能輸出計算方法可用于不同時間段、不同交通參數(shù)道路中發(fā)電路面電能模型。

5.2 模型假設與構建

傳統(tǒng)化石能源如煤炭、天然氣、石油等發(fā)電產(chǎn)生的污染物主要有SO2，NOx，CO2，煙塵等廢氣排放物及廢水、灰渣等，這些污染物對環(huán)境造成了嚴重污染。與此同時，以水力和核物質(zhì)等能源為原料的電力開發(fā)也造成了氣候異常、放射性廢物處理等環(huán)境負擔。與之相比，壓電發(fā)電實現(xiàn)了污染物的零排放，極大程度上減少了環(huán)境污染，因此風電環(huán)境效益顯著。根據(jù)國家電網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)可知，近年來我國其他節(jié)能式發(fā)電效益見表10所列。

由表9可以看出，2010年我國節(jié)煤量、CO2減排量、SO2減排量、NOx減排量和煙塵減排量總計達到559.18萬噸，2011年總計達1 118.53萬噸。2011—2016年，節(jié)能減排量每年都以2倍的速度增加。到2016年，我國風電節(jié)能減排總量已達11 769.64萬噸。可以預見，未來我國發(fā)電方式的節(jié)能減排效益將以更大幅度提升，從而更好地推進我國環(huán)境友好型社會的建設進程。

通過測試發(fā)電路面的基本參數(shù)，經(jīng)過簡單計算，假設當下的全部路面為壓電發(fā)電路面，車流量與車重量為2016年的平均水平，按照20%的保守增長比例，在不同厚度下，壓電發(fā)電路面每年節(jié)能減排效益見表11所列。

相比定性分析，定量評估計算壓電發(fā)電路面效益可以更直觀地說明壓電發(fā)電路面的節(jié)能減排效益，對于新能源產(chǎn)業(yè)決策及我國實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等有重要意義。而與傳統(tǒng)能源相比，壓電發(fā)電的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在污染物排放上，以產(chǎn)出同等電量，節(jié)約燃煤火電的能耗及減少污染物排放量值作為壓電發(fā)電的環(huán)境效益指標。目前燃煤火電在我國能源結構中占據(jù)絕對的主導地位，由此需要將風電和火電的污染物排放進行比較。燃煤火電所消耗的能源主要是煤炭和水，所產(chǎn)生的污染物主要包括SO2，NOx，CO2，煙塵等大氣排放物及廢水、灰渣等，其大氣綜合排放量約占全國大氣污染物總量的1/3。

5.3 軟件模型計算結果

模擬軟件計算數(shù)據(jù)見表12所列，污染物排放（減排）量相對誤差見表13所列，功率輸出曲線如圖14所示。

6 交通控制系統(tǒng)

6.1 背景

現(xiàn)行的交通燈控制系統(tǒng)一般為開環(huán)控制系統(tǒng)，其紅綠燈相對固定，不會因交通實況而進行自我調(diào)整。為了讓交通系統(tǒng)更加人性化，讓交通更加和諧，實現(xiàn)交通流的實時檢測和反饋，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，目前主要采用兩類交通流檢測方法。

（1）接觸式測量主要為壓電檢測、壓力管檢測、環(huán)形線圈檢測和磁力式探測，當汽車經(jīng)過采集裝置上方時會引起相應的壓力、電場或磁場變化，采集裝置將這些力或場的變化轉換為所需的交通信息。接觸式測量的優(yōu)點在于原理簡單，收集數(shù)據(jù)方便，而且技術成熟，但采用接觸式測量設備需要重新修改路面，工程量巨大，且我國目前不支持城市道路改造，加入電源后，安全性較低，壽命較短。

（2）非接觸式測量主要分為波頻探測和視頻探測兩大類，波頻探測安裝簡便但工作現(xiàn)場極易受到現(xiàn)場灰塵、冰霧等影響;視頻探測不僅可以檢測實時車流量，還可以對異常交通流信息進行實時監(jiān)控，成本較低，但易受惡劣天氣、燈光、陰影等環(huán)境因素的影響，同時汽車的動態(tài)陰影也會帶來干擾，而且在實際的圖像處理系統(tǒng)中，背景處理是一個復雜而棘手的問題。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。

人、車、路三者關系的協(xié)調(diào)越來越受到交通部門的重視，也越來越成為衡量一個城市基礎建設的基本硬件指標。除了通過修路改善交通外，對交通信號燈的控制已成為現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)的重要組成部分和技術手段。傳統(tǒng)交通信號燈控制方法往往以路口的狀態(tài)，按丁字、十字與多路口分時段通過紅綠黃燈控制各路口車輛依次通行，往往存在車多的路口綠燈通行時間短、無車或少車的路口卻亮著綠燈，而且路口在何時間段車輛多少又比較隨機，對交通信號燈的控制難以人為預設，為解決少車路口綠燈時無車通行或多車路口綠燈通行時間短而堵車等問題，智能交通燈控制系統(tǒng)應運而生。

本設計是一個以車流量為核心的智能交通燈自動控制系統(tǒng)，通過使用壓電發(fā)電路面磚檢測車流量，實現(xiàn)了十字路口交通燈的智能控制。隨著數(shù)字化城市建設的進程，對城市交通的要求不僅是智能化，更是網(wǎng)絡化、信息化。

6.2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主控制器選用西門子S7-300系列PLC，車流量檢測裝置采用基于傳感器形變原理的壓電發(fā)電路面磚，系統(tǒng)由PLC控制器、信號檢測裝置、信號轉換裝置、緊急按鈕、交通燈組和以太網(wǎng)接口等組成。

每個路口均放置兩組壓電發(fā)電路面磚，前一組緊挨停車線，檢測駛離該車道的車輛數(shù)，后一組埋設在距停車道5～10 m處，考慮埋設在預計可正常停車數(shù)量所占位置的1～2倍處，檢測駛入該車道的車輛數(shù)，當壓電發(fā)電路面磚感應到車輛通過的信號后，該信號將通過信號轉換裝置轉換為0～10 V的標準電壓信號并輸入PLC（系統(tǒng)選用的西門子S7-300系列PLC主要包括1個CPU314IFM模塊、1個SM332開關量模塊、1個SM334模擬量模塊、1個電源模塊、1個通信模塊，PLC為24 V供電，系統(tǒng)共有36點開關量輸入信號、32點開關量輸出信號、6路模擬量輸入信號、4路模擬量輸出信號的容量，可滿足1個3～4車道的十字路口交通燈的控制要求）。PLC控制系統(tǒng)通過判斷該信號的狀態(tài)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和計算得到各路口的實際車流量數(shù)據(jù)，自動控制系統(tǒng)將根據(jù)各路口的實際車流量自動調(diào)節(jié)其所在路口的信號燈通行狀態(tài)。同時，系統(tǒng)在各人行路口設置了緊急按鈕，按動此按鈕也會起到干預路口交通信號燈狀態(tài)的作用。該系統(tǒng)所設置的以太網(wǎng)接口為實現(xiàn)多個路口之間的交通燈連鎖控制、交通燈的遠程計算機監(jiān)控和交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、信息化管理奠定了基礎。壓電發(fā)電路面磚是智能交通自控系統(tǒng)中的主要檢測元件。系統(tǒng)結構如圖15所示。

6.3 創(chuàng)新點

智能化，即根據(jù)路口車流量的大小自動調(diào)節(jié)路口信號燈的通行時間，在傳統(tǒng)十字路口交通燈控制的基礎上，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)少車路口綠燈無車通行或多車路口綠燈時間短而堵車等問題，提高了車輛通行效率，減輕了交通堵塞壓力。

網(wǎng)絡化，即通過系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)多個路口間交通燈的連鎖自動控制，實現(xiàn)對交通狀況的遠程監(jiān)控，同時也為城市交通的數(shù)字化、信息化奠定了基礎。

人性化，即系統(tǒng)在各路口都設有人行通道的緊急通行按鈕，能靈活控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時、延時切換，并具有一定的優(yōu)先權，方便處于緊急事故中的人、車通行。

7 結 論

本文研究了智能壓電發(fā)電路面的制備、力電特性及其電學輸出性能，可以得到以下結論：

（1）利用ANSYS12.0軟件優(yōu)化后的壓電元件尺寸外徑為18 mm，內(nèi)徑為10 mm，厚度為4 mm。經(jīng)過仿真分析，施加0.7 MPa的瞬間壓應力可以產(chǎn)生63.146 V的電壓。

（2）采用傳統(tǒng)氧化物固相反應的方法預合成摻雜0.45 wt% Fe2O3的PMnS-PZN-PZT粉體，制備出的埋入式壓電元件具有良好的壓電性能及耐久性能。

（3）制備的智能壓電發(fā)電路面的體積性能、高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能均能滿足我國的瀝青混合料技術規(guī)范，具有良好的路用性能。

（4）以壓電方程為基礎，建立智能壓電發(fā)電路面的力電耦合模型，推導埋入式瀝青混凝土的開路電壓方程，且智能壓電發(fā)電路面的開路電壓計算值與實測數(shù)據(jù)基本吻合。

（5）壓電元件的開路峰值電壓隨著壓應力的增加而增加，且單片厚度大的元件的開路峰值電壓比較高，增加的趨勢更快，但施加較低的頻率對壓電元件的電壓輸出影響非常小。

（6）智能壓電發(fā)電路面的開路電壓與壓電元件總厚度變化無關，隨著埋鋪深度的增加而減小，隨著車輪荷載的增加而增加;開路電流隨著壓電元件并聯(lián)數(shù)量的增加而增加。

（7）芯片的電能采集效果和效率均優(yōu)于橋式整流電路+MA×666型DC-DC單元的采集電路。