[发明专利]一种智能网联宽频俘能非充气轮胎及其工作方法

权利要求书

1.一种智能网联宽频俘能非充气轮胎，包括橡胶外胎、蜂窝基体、内钢圈、压电能量捕获层、感知传感层和储能单元，所述蜂窝基体设置在内钢圈的外侧，所述橡胶外胎套在蜂窝基体的外侧，所述橡胶外胎与蜂窝基体间设有槽形压电发电结构，所述橡胶外胎和内钢圈表面设有三轴加速度传感器，所述蜂窝基体设有六角形中空腔体；所述压电能量捕获层包括槽形压电发电结构，所述压电能量捕获层夹在橡胶外胎和蜂窝基体之间，所述槽形压电发电结构是在橡胶内管上开一个槽，安装压电俘能器，并用粘合剂固定,所述压电俘能器包括压电元件、磁性质量和基座，所述感知传感层在内钢圈的轮毂表面，所述储能单元包括阻燃塑壳、阻燃塑盖和电容器，所述电容器在阻燃塑壳和阻燃塑盖内设于内钢圈的轮毂和轮辐上并设有无线模块。

2.根据权利要求1所述一种智能网联宽频俘能非充气轮胎，其特征在于：所述蜂窝基体内的六角形空心腔的角在轮胎的同心圆上。

3.根据权利要求1所述一种智能网联宽频俘能非充气轮胎，其特征在于：压电能量捕获层设计关于圆心与蜂窝六角形底边的中垂线对称。

4.根据权利要求1所述一种智能网联宽频俘能非充气轮胎，其特征在于：所述压电俘能器选用非接触式升频压电俘能器。

5.根据权利要求1所述一种智能网联宽频俘能非充气轮胎，其特征在于：所述感知传感层选择三轴动态加速度传感器，包含胎温胎压传感单元和加速度传感单元。

6.根据权利要求1所述一种智能网联宽频俘能非充气轮胎，其特征在于：所述无线模块选用PIC12LF182与NRF24L0的接口电路、NRF24L01无线传输模块和PIC12IF1822控制芯片。

7.权利要求1-6任意一项智能网联宽频俘能非充气轮胎的工作方法，具有步骤如下，其特征在于：

汽车行驶时，橡胶外胎接触地面产生振动，当汽车轮胎转动或产生振动能量时，通过形变，压迫压电元件形变，从而使压电片产生电能，将车辆轮胎的振动能量转化为电能；车辆低速行驶时，压电俘能器低频振子作用效果明显；高速行驶时，高频振子作用效果明显；利用低频振子与高频振子之间的相互作用力,实现宽频俘能，俘获的电能传输到储能单元，储能单元为电容，电容与压电元件并联，储能单元中的能量由无线传输模块传递给感知传感层以及车辆的用电设备；

感知传感层的传感器粘贴到轮胎和轮辋的表面，采集轮胎和轮辋的振动加速度矢量，通过计算传输给车机系统，让驾驶者实时了解车轮以及路况，传输到车机系统的数据通过车联网系统进行数据联网，为路政部门提供路面平整度信息。

8.根据权利要求7所述一种智能网联宽频俘能非充气轮胎的工作方法，其特征在于：压电俘能器振动能量转化计算如下：

表示压电陶瓷层的轴向应变分量，该值与梁在该点的曲率成简单的比例关系，如下：

式中h_pc代表压电陶瓷层中心到中性轴的距离，w_rel(y，t)代表横向振动响应模式展开式即

对等效电路进行高斯定律积分可得到输出电流为

根据基尔霍夫定律，由等效电路图可列出下式：

通过匹配(4)和(6)，可以得到压电片内部电容和电源，即

式中的电源项体现的是电路中电流同位移响应的一阶导数之间的关系，故等效机电耦合系数θ_r即为该项的系数，如下式：

系统中悬臂梁的振动微分方程与等效电路方程的联立

式中参数包括等效质量m_eq、等效刚度k_eq、等效阻尼c_eq；θ_r为等效机电耦合系数。