[发明专利]用于在车轮轮胎内产生电能的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及在车轮轮胎内产生电能的技术方案。更具体而言，采 用压电技术将轮胎在滚动过程中由于挠曲而产生的机械应变转变为电 荷，这些电荷被存储在电能存储装置中，因而，布置在轮胎内的传感 器器件可使用这些电能。

背景技术

目前，在充气轮胎内部设置电子器件以提高车辆的安全性具有了 更大的重要意义。轮胎电子设备可包括传感器和其它一些适于获得信 息的器件，其中的信息是指关于轮胎各种物理参数的信息，这些物理 参数例如是温度、压力、轮胎转动圈数等。这些信息对于轮胎监控系 统和/或报警系统而言将是有用的。此外，车辆的主动控制系统可基于 安装在轮胎内的传感器器件所发出的信息而工作。通常情况下，采用 无线传输的方式，以便于将轮胎的性能信息发送到轮胎外部，发送给 布置在车辆上的接收器，因而，布置在轮胎内部的这些电子器件通常 包括与天线相连的发送器。通常还采用了微处理器，以便于在执行传 输之前从各个性能传感器收集信号，并对这些信号进行处理。

此类集成化的轮胎电子设备通常是由不同的发电系统、借助于各 种技术来进行供电的。

用于轮胎电子系统进行供电的一种常用方案是采用非充电电池， 但这种方案会给轮胎用户带来不便，原因在于：电子系统的正常工作 将取决于电池的定期更换。事实上，如果向功能等级复杂的电子设备 供电，则电池将趋于快速耗尽其电能存储。此外，普通的电池一般都 含有重金属，而这些重金属对环境而言是有害的，从而带来了如何处 理这些电池的问题-特别是在使用量巨大的情况下。另外，普通电池 的性能常常受到温度的影响：特别是，在低温条件下，这些电池的性 能并不可靠。

用于向轮胎监控系统供电的另一种现有方法是建立射频(RF)功 率耦合，该射频功率耦合是在布置于车辆上的天线与位于其附近的、 且由位于轮胎中的电子器件所带的天线之间建立起来的。该方法通常 需要将天线布置在车辆上一些频繁承受道路行车损坏的部位处，因而 该方法并不是理想的轮胎电子设备供电方案。

现有技术中还提出了利用压电元件向轮胎监控系统供电的方案。 压电性是诸如石英、罗谢尔盐(rochelle salt)等一些材料以及锆钛酸 铅(PZT)等某些固溶态陶瓷材料的特性，这些材料在受到机械应力 时能产生出电荷。

WO 2005/067073号PCT专利申请公开了一种轮胎，其包括压电 性的挠曲元件，其与电能存储装置(例如电容器)相连。该压电挠曲 元件被以悬臂梁的形式安装在壳体中，以便于将其定位成基本上顺贴 着与所述轮胎径向方向垂直的平面，并使得压电元件的第一端被约束 在壳体上。在压电挠曲元件的第二端上联接了荷载质量体。在壳体的 内壁与荷载质量体的外表面之间形成了小的间隙，以允许压电元件产 生有效的挠曲。包含着压电元件的壳体被安装在轮胎中与胎面区域相 对应的部位处，优选地是被安装在轮胎的内表面上。当轮胎转动时， 压电元件在径向加速度的作用下将发生挠曲。荷载质量体与间隙被选 择为能获得如下效果：a)当轮胎低速转动时，在轮胎转动一整圈的过 程中，挠曲元件的总体振荡量是很小的；b)基本上只有在带有压电 元件的轮胎部分经过轮胎的接地斑区的过程中，挠曲元件的总体振荡 量才很大。

PCT专利申请WO 2006/003052公开了一种位于轮胎内部的压电 发电机，在该申请中，压电挠曲梁被安装在支撑件上。为了确保挠曲 梁的运动自由度，在该挠曲梁上罩设了壳体，同时设置了刚性的密封 部件，以在轮胎的内部对整个结构提供机械保护。由于向心加速度的 变化，挠曲梁的端部将会移动，并使挠曲梁变形。结果就是，利用压 电效应而产生出电能。

PCT专利申请WO 2006/072539公开了这样一种由螺旋弹簧、扭 力弹簧、或板式弹簧作为弹性元件的结构，在该结构中，弹性元件的 自由端上载带着震动质量体，轮胎的转动将会向该质量体施加脉冲作 用。将震动质量体与弹性元件相结合就形成了弹簧-质量体谐振器。在 轮胎的转动过程中，谐振器由于轮胎模块运动而产生的振荡将其在经 过接地区域时表现为直线运动，而在谐振器移动离开接触区域时则沿 圆形路线运动。在圆形路线上，在震动质量体上作用有离心力，而在 理想的条件下，在处于接触区域时，在震动质量体上不应该存在着任 何作用力。离心力将使弹簧-质量体谐振器移动，从而，在谐振器经过 接地区域时，其将返回到平衡停息位置。

发明内容