基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)及方法。它包括能量采集裝置、輪轂、輪胎；能量采集裝置包括氣門嘴、壓電俘能器、控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器，氣門嘴包括氣門嘴體、第一輪轂密封墊、第二輪轂密封墊、嘴體螺母，壓電俘能器包括壓電材料層、彈性梁、固定圈，固定圈上固定有一個(gè)或多個(gè)彈性梁，彈性梁上貼有壓電材料層，懸臂梁端部固定有質(zhì)量塊，氣門嘴體上套有固定圈、第一輪轂密封墊，穿過輪轂再穿有第二輪轂密封墊，并用嘴體螺母固定在輪轂上，氣門嘴體端部設(shè)有控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器。本發(fā)明可避免傳統(tǒng)胎壓檢測(cè)系統(tǒng)因電池壽命造成的失效；同時(shí)減少電池使用量，有利保護(hù)環(huán)境。
【專利說明】基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)及方法。特別地，該能量采集裝置可應(yīng)用于輪胎振動(dòng)的能量采集，從而為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。
【背景技術(shù)】
[0002]輪胎的使用和人們?nèi)粘３鲂邢⑾⑾嚓P(guān)。據(jù)交管部門有關(guān)統(tǒng)計(jì)，高速公路上的交通事故中有46%是由輪胎發(fā)生故障引起的，而其中的70%由胎壓異常引起。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)針對(duì)輪胎胎壓過低、胎壓過高、快速漏氣、胎溫過高及電瓶電壓過低等狀況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，預(yù)防爆胎事故的發(fā)生，增加駕駛汽車的安全性。胎壓監(jiān)測(cè)不僅是減少交通事故的重要方式，也是行車安全的重要保障。
[0003]胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要電池來提供能源供給，而電池的壽命有限，一般為3?5年，需要定期地更換，否則胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)斷電失效使得行車安全產(chǎn)生隱患；并且電池對(duì)環(huán)境有一定的污染，所以傳統(tǒng)的胎壓檢測(cè)系統(tǒng)還存在有需要改進(jìn)的地方。如何充分將輪胎行駛過程中振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換并采集來給胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)綠色能源的可循環(huán)利用，引起了廣泛地關(guān)注。
[0004]目前，人們?cè)O(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)來收集并儲(chǔ)存振動(dòng)的能量。專利CN101247096A設(shè)計(jì)了一種置于輪胎內(nèi)部的鋼道，通過鋼道內(nèi)部鋼珠的轉(zhuǎn)動(dòng)來撞擊壓電片，將振動(dòng)能量裝換為電能。CN1702952A中研究者設(shè)計(jì)了一種壓電振子，在車輛行駛過程中在輪胎的振動(dòng)作用下不斷產(chǎn)生電荷。還有研究者提出了壓力能量采集輪胎的概念，利用輪胎氣壓的變化來推動(dòng)中心軸上葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)來產(chǎn)生電能。研究者通過設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)置于輪胎內(nèi)部，利用輪胎的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)化，然后為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。然而已有的能量采集設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)施難度大。由于目前車輛多采用無內(nèi)胎的真空輪胎，在輪胎內(nèi)部設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換，需要改動(dòng)輪胎的結(jié)構(gòu)，加工難度大，工藝要求高，加工成本聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器需要定期更換電池的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)及方法。
[0006]基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)包括能量采集裝置、輪轂、輪胎；輪轂外設(shè)有輪胎，輪轂上設(shè)有能量采集裝置，能量采集裝置包括氣門嘴、壓電俘能器、控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器，氣門嘴包括氣門嘴體、第一輪轂密封墊、第二輪轂密封墊、嘴體螺母，壓電俘能器包括壓電材料層、彈性梁、固定圈，固定圈上固定有一個(gè)或多個(gè)彈性梁，彈性梁上貼有壓電材料層，懸臂梁端部固定有質(zhì)量塊，氣門嘴體上套有固定圈、第一輪轂密封墊，穿過輪轂套再穿有第二輪轂密封墊，并用嘴體螺母固定在輪轂上，氣門嘴體端部設(shè)有控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器。
[0007]所述的控制電路板的控制電路為:變壓器T輸入端連接壓電俘能器2，輸出端連接全橋整流電路，整流電路包括四個(gè)整流二極管Dl、整流二極管D2、整流二極管D3、整流二極管D4，整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極和變壓器T的一端相連接，整流二極管D2的陽(yáng)極和整流二極管D3的陰極和變壓器T的另一端相連接，整流二極管D3和整流二極管D4共陽(yáng)極連接并接地，整流二極管Dl和整流二極管D2共陰極連接濾波電容Cl的一端，濾波電容的Cl的另一端連接整流二極管D3的陽(yáng)極，濾波電容Cl的一端串聯(lián)一個(gè)濾波電阻Rl后與濾波電容C2的一端相連，濾波電容Cl的另一端直接于濾波電容C2的另一端相連接，濾波電容C2的一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rs后再與穩(wěn)壓二極管Dz的陽(yáng)極相連，濾波電容C2的另一端直接與穩(wěn)壓二極管Dz的陰極相連。
[0008]基于輪胎氣門嘴的能量采集方法是:壓電俘能器通過固定圈固定在氣門嘴并安裝在輪轂上，位于輪胎的內(nèi)部，在車輛行駛過程中，輪胎的振動(dòng)將引起氣門嘴的振動(dòng)，氣門嘴的振動(dòng)將導(dǎo)致固定在氣門嘴上的壓電俘能器的振動(dòng)，從而引起壓電俘能器的一個(gè)或者多個(gè)彈性梁的振動(dòng)，由于彈性梁上的不同的位置粘貼有壓電材料，該壓電材料在外部振動(dòng)的情況下可以產(chǎn)生應(yīng)力，由于材料的力電耦合性能，在應(yīng)力的作用下，將在壓電材料層的上下表面產(chǎn)生電荷，從而將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成電能，再通過控制電路板給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器供電，由壓電材料層產(chǎn)生的電荷通過一個(gè)變壓器T變換到一個(gè)1V-5V交流電壓，通過四個(gè)整流二極管的整流作用，將交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電壓，再通過兩個(gè)濾波電容和濾波電阻的濾波作用，將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過限流電阻Rs和穩(wěn)壓二極管Dz的調(diào)節(jié)輸出一個(gè)IV-5V的穩(wěn)定直流電壓，實(shí)現(xiàn)將輪胎振動(dòng)的能量采集并供電給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器4。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是該裝置方便可用，直接與輪胎的氣門嘴相結(jié)合，安裝方便，應(yīng)用更廣泛。并且該發(fā)明裝置采集輪胎振動(dòng)的能量給胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，解決了需要定期更換電池的缺點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的能量采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的氣門嘴結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的一個(gè)彈性懸臂梁的壓電俘能器裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的多個(gè)彈性懸臂梁的壓電俘能器裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明的控制電路板電路圖；
圖中，氣門嘴1、壓電俘能器2、控制電路板3、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器4、輪轂5、輪胎6、氣門嘴體1-1、第一輪轂密封墊1-2、第二輪轂密封墊1-3、嘴體螺母1-4、壓電材料層2-1、彈性梁2-2、固定圈2-3、質(zhì)量塊2-4。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明是一個(gè)固定于輪胎氣門嘴上的壓電俘能器裝置，隨著輪胎的振動(dòng)將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能，通過后端電路的整流和存儲(chǔ)，最后輸出為穩(wěn)定的電壓給胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器供電。
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
如圖1-4所示，基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)包括能量采集裝置、輪轂5、輪胎6 ;輪轂5外設(shè)有輪胎6，輪轂5上設(shè)有能量采集裝置，能量采集裝置包括氣門嘴1、壓電俘能器2、控制電路板3、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器4，氣門嘴I包括氣門嘴體1-1、第一輪轂密封墊1-2、第二輪轂密封墊1-3、嘴體螺母1-4，壓電俘能器2包括壓電材料層2-1、彈性梁2-2、固定圈2-3，質(zhì)量塊2-4，固定圈2-3上固定有一個(gè)或多個(gè)彈性梁2-2，彈性梁2_2上不同的合適位置貼有壓電材料層2-1，懸臂梁2-2端部固定有質(zhì)量塊2-4，氣門嘴體1-1上套有固定圈
2-3、第一輪轂密封墊1-2，穿過輪轂5套有第二輪轂密封墊1-3，并用嘴體螺母1-4固定在輪轂5上，氣門嘴體1-1端部設(shè)有控制電路板3、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器4。
[0013]如圖5所示，所述的控制電路板3的控制電路為:變壓器T輸入端連接壓電俘能器2，輸出端連接全橋整流電路，整流電路包括四個(gè)整流二極管D1、整流二極管D2、整流二極管D3、整流二極管D4，整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極和變壓器T的一端相連接，整流二極管D2的陽(yáng)極和整流二極管D3的陰極和變壓器T的另一端相連接，整流二極管D3和整流二極管D4共陽(yáng)極連接并接地，整流二極管Dl和整流二極管D2共陰極連接濾波電容Cl的一端，濾波電容的Cl的另一端連接整流二極管D3的陽(yáng)極，濾波電容Cl的一端串聯(lián)一個(gè)濾波電阻Rl后與濾波電容C2的一端相連，濾波電容Cl的另一端直接于濾波電容C2的另一端相連接，濾波電容C2的一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rs后再與穩(wěn)壓二極管Dz的陽(yáng)極相連，濾波電容C2的另一端直接與穩(wěn)壓二極管Dz的陰極相連。
[0014]本發(fā)明將壓電俘能器裝置和氣門嘴結(jié)構(gòu)集合，利用智能材料的力電耦合性能采集輪胎振動(dòng)產(chǎn)生的能量，經(jīng)過后端控制電路板的處理，從而為胎壓監(jiān)測(cè)傳感器供電。本發(fā)明采用的壓電俘能器是將智能材料粘貼于彈性懸臂梁的壓電懸臂梁裝置。本發(fā)明中智能材料采用壓電陶瓷，壓電聚合物等材料。本發(fā)明中智能材料還可采用其他具有力電耦合性能即在力的作用下可以產(chǎn)生電的智能材料。
[0015]基于輪胎氣門嘴的能量采集方法是:將壓電俘能器2通過固定圈2-3固定在氣門嘴I安裝在輪轂5上，位于輪胎6的內(nèi)部，在車輛行駛過程中，輪胎的振動(dòng)將引起氣門嘴I的振動(dòng)，氣門嘴I的振動(dòng)將導(dǎo)致固定在氣門嘴I上的壓電俘能器2的振動(dòng)，從而引起壓電俘能器2的一個(gè)或者多個(gè)彈性梁2-2的振動(dòng)，由于彈性梁2-2上粘貼有壓電材料2-1，該壓電材料在外部振動(dòng)的情況下可以產(chǎn)生應(yīng)力，由于材料的力電耦合性能，在應(yīng)力的作用下，將在壓電材料層2-1的上下表面產(chǎn)生電荷，從而將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成電能，再通過控制電路板3給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器4供電，由壓電材料層2-1產(chǎn)生的電荷通過一個(gè)變壓器T變換到一個(gè)1V-5V交流電壓，通過四個(gè)整流二極管的整流作用，將交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電壓，再通過兩個(gè)濾波電容和濾波電阻的濾波作用，將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過限流電阻Rs和穩(wěn)壓二極管Dz的調(diào)節(jié)輸出一個(gè)1V-5V的穩(wěn)定直流電壓，實(shí)現(xiàn)將輪胎振動(dòng)的能量采集并供電給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器4。
【權(quán)利要求】
1.一種基于輪胎氣門嘴的能量采集系統(tǒng)，其特征在于包括能量采集裝置、輪轂(5)、輪胎(6);輪轂(5)外設(shè)有輪胎(6)，輪轂(5)上設(shè)有能量采集裝置，能量采集裝置包括氣門嘴(I)、壓電俘能器(2)、控制電路板(3)、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器(4)，氣門嘴(I)包括氣門嘴體(1-1)、第一輪轂密封墊(1-2)、第二輪轂密封墊(1-3)、嘴體螺母(1-4)，壓電俘能器(2)包括壓電材料層(2-1)、彈性梁(2-2 )、固定圈(2-3 )，質(zhì)量塊(2-4 )，固定圈(2-3 )上固定有一個(gè)或多個(gè)彈性梁(2-2 )，彈性梁(2-2 )上貼有壓電材料層(2-1)，彈性梁(2-2 )端部固定有質(zhì)量塊(2-4 )，氣門嘴體(1-1)上套有固定圈(2-3 )、第一輪轂密封墊(1-2 )，穿過輪轂(5 )再穿有第二輪轂密封墊(1-3)，并用嘴體螺母(1-4)固定在輪轂(5)上，氣門嘴體(1-1)端部設(shè)有控制電路板(3 )、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器(4 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于輪胎氣門嘴的能量采集裝置，其特征在于所述的控制電路板(3 )的控制電路為:變壓器T輸入端連接壓電俘能器2，輸出端連接全橋整流電路，整流電路包括四個(gè)整流二極管Dl、整流二極管D2、整流二極管D3、整流二極管D4，整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極和變壓器T的一端相連接，整流二極管D2的陽(yáng)極和整流二極管D3的陰極和變壓器T的另一端相連接，整流二極管D3和整流二極管D4共陽(yáng)極連接并接地，整流二極管Dl和整流二極管D2共陰極連接濾波電容Cl的一端，濾波電容Cl的另一端連接整流二極管D3的陽(yáng)極，濾波電容Cl的一端串聯(lián)一個(gè)濾波電阻Rl后與濾波電容C2的一端相連，濾波電容Cl的另一端直接于濾波電容C2的另一端相連接，濾波電容C2的一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rs后再與穩(wěn)壓二極管Dz的陽(yáng)極相連，濾波電容C2的另一端直接與穩(wěn)壓二極管Dz的陰極相連。
3.一種采用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的基于輪胎氣門嘴的能量采集方法，其特征在于將壓電俘能器(2)通過固定圈(2-3)固定在氣門嘴(I)安裝在輪轂(5)上，位于輪胎(6)的內(nèi)部，在車輛行駛過程中，輪胎的振動(dòng)將引起氣門嘴(I)的振動(dòng)，氣門嘴(I)的振動(dòng)將導(dǎo)致固定在氣門嘴(I)上的壓電俘能器(2)的振動(dòng)，從而引起壓電俘能器(2)的一個(gè)或者多個(gè)彈性梁(2-2)的振動(dòng)，由于彈性梁(2-2)上粘貼有壓電材料(2-1)，該壓電材料在外部振動(dòng)的情況下可以產(chǎn)生應(yīng)力，由于材料的力電耦合性能，在應(yīng)力的作用下，將在壓電材料層(2-1)的上下表面產(chǎn)生電荷，從而將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成電能，再通過控制電路板(3 )給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器(4)供電，由壓電材料層(2-1)產(chǎn)生的電荷通過一個(gè)變壓器T變換到一個(gè)1V-5V交流電壓，通過四個(gè)整流二極管的整流作用，將交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電壓，再通過兩個(gè)濾波電容和濾波電阻的濾波作用，將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過限流電阻Rs和穩(wěn)壓二極管Dz的調(diào)節(jié)輸出一個(gè)1V-5V的穩(wěn)定直流電壓，實(shí)現(xiàn)將輪胎振動(dòng)的能量采集并供電給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器(4)。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103888021SQ201410064131
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】鄒鴻生, 張旭方, 李華 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)