基于轮胎气门嘴的能量采集系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于轮胎气门嘴的能量采集系统及方法。它包括能量采集装置、轮毂、轮胎；能量采集装置包括气门嘴、压电俘能器、控制电路板、胎压监测系统传感器，气门嘴包括气门嘴体、第一轮毂密封垫、第二轮毂密封垫、嘴体螺母，压电俘能器包括压电材料层、弹性梁、固定圈，固定圈上固定有一个或多个弹性梁，弹性梁上贴有压电材料层，悬臂梁端部固定有质量块，气门嘴体上套有固定圈、第一轮毂密封垫，穿过轮毂再穿有第二轮毂密封垫，并用嘴体螺母固定在轮毂上，气门嘴体端部设有控制电路板、胎压监测系统传感器。本发明可避免传统胎压检测系统因电池寿命造成的失效；同时减少电池使用量，有利保护环境。
【专利说明】基于轮胎气门嘴的能量采集系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于轮胎气门嘴的能量采集系统及方法。特别地，该能量采集装置可应用于轮胎振动的能量采集，从而为胎压监测系统供电。
【背景技术】
[0002]轮胎的使用和人们日常出行息息相关。据交管部门有关统计，高速公路上的交通事故中有46%是由轮胎发生故障引起的，而其中的70%由胎压异常引起。胎压监测系统可实时针对轮胎胎压过低、胎压过高、快速漏气、胎温过高及电瓶电压过低等状况进行自动监测与报警，预防爆胎事故的发生，增加驾驶汽车的安全性。胎压监测不仅是减少交通事故的重要方式，也是行车安全的重要保障。
[0003]胎压监测系统需要电池来提供能源供给，而电池的寿命有限，一般为3?5年，需要定期地更换，否则胎压监测系统断电失效使得行车安全产生隐患；并且电池对环境有一定的污染，所以传统的胎压检测系统还存在有需要改进的地方。如何充分将轮胎行驶过程中振动的能量转换并采集来给胎压监测系统供电，实现绿色能源的可循环利用，引起了广泛地关注。
[0004]目前，人们设计了不同的结构来收集并储存振动的能量。专利CN101247096A设计了一种置于轮胎内部的钢道，通过钢道内部钢珠的转动来撞击压电片，将振动能量装换为电能。CN1702952A中研究者设计了一种压电振子，在车辆行驶过程中在轮胎的振动作用下不断产生电荷。还有研究者提出了压力能量采集轮胎的概念，利用轮胎气压的变化来推动中心轴上叶片的转动来产生电能。研究者通过设计不同的结构置于轮胎内部，利用轮胎的振动实现振动能到电能的转化，然后为胎压监测系统供电。然而已有的能量采集设计结构比较复杂，实施难度大。由于目前车辆多采用无内胎的真空轮胎，在轮胎内部设计复杂的结构来实现振动能到电能的转换，需要改动轮胎的结构，加工难度大，工艺要求高，加工成本闻。
【发明内容】
[0005]为了克服现有胎压监测系统传感器需要定期更换电池的缺点，本发明提供基于轮胎气门嘴的能量采集系统及方法。
[0006]基于轮胎气门嘴的能量采集系统包括能量采集装置、轮毂、轮胎；轮毂外设有轮胎，轮毂上设有能量采集装置，能量采集装置包括气门嘴、压电俘能器、控制电路板、胎压监测系统传感器，气门嘴包括气门嘴体、第一轮毂密封垫、第二轮毂密封垫、嘴体螺母，压电俘能器包括压电材料层、弹性梁、固定圈，固定圈上固定有一个或多个弹性梁，弹性梁上贴有压电材料层，悬臂梁端部固定有质量块，气门嘴体上套有固定圈、第一轮毂密封垫，穿过轮毂套再穿有第二轮毂密封垫，并用嘴体螺母固定在轮毂上，气门嘴体端部设有控制电路板、胎压监测系统传感器。
[0007]所述的控制电路板的控制电路为:变压器T输入端连接压电俘能器2，输出端连接全桥整流电路，整流电路包括四个整流二极管Dl、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4，整流二极管Dl的阳极和整流二极管D4的阴极和变压器T的一端相连接，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极和变压器T的另一端相连接，整流二极管D3和整流二极管D4共阳极连接并接地，整流二极管Dl和整流二极管D2共阴极连接滤波电容Cl的一端，滤波电容的Cl的另一端连接整流二极管D3的阳极，滤波电容Cl的一端串联一个滤波电阻Rl后与滤波电容C2的一端相连，滤波电容Cl的另一端直接于滤波电容C2的另一端相连接，滤波电容C2的一端串联一个限流电阻Rs后再与稳压二极管Dz的阳极相连，滤波电容C2的另一端直接与稳压二极管Dz的阴极相连。
[0008]基于轮胎气门嘴的能量采集方法是:压电俘能器通过固定圈固定在气门嘴并安装在轮毂上，位于轮胎的内部，在车辆行驶过程中，轮胎的振动将引起气门嘴的振动，气门嘴的振动将导致固定在气门嘴上的压电俘能器的振动，从而引起压电俘能器的一个或者多个弹性梁的振动，由于弹性梁上的不同的位置粘贴有压电材料，该压电材料在外部振动的情况下可以产生应力，由于材料的力电耦合性能，在应力的作用下，将在压电材料层的上下表面产生电荷，从而将轮胎振动的能量转化成电能，再通过控制电路板给胎压监测传感器供电，由压电材料层产生的电荷通过一个变压器T变换到一个1V-5V交流电压，通过四个整流二极管的整流作用，将交流电压转换成脉动直流电压，再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉动直流电压转化成直流电压，最后通过限流电阻Rs和稳压二极管Dz的调节输出一个IV-5V的稳定直流电压，实现将轮胎振动的能量采集并供电给胎压监测传感器4。
[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果是该装置方便可用，直接与轮胎的气门嘴相结合，安装方便，应用更广泛。并且该发明装置采集轮胎振动的能量给胎压监测系统供电，解决了需要定期更换电池的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的能量采集装置结构示意图；
图2是本发明的气门嘴结构示意图；
图3是本发明的一个弹性悬臂梁的压电俘能器装置结构示意图；
图4是本发明的多个弹性悬臂梁的压电俘能器装置结构示意图；
图5是本发明的控制电路板电路图；
图中，气门嘴1、压电俘能器2、控制电路板3、胎压监测系统传感器4、轮毂5、轮胎6、气门嘴体1-1、第一轮毂密封垫1-2、第二轮毂密封垫1-3、嘴体螺母1-4、压电材料层2-1、弹性梁2-2、固定圈2-3、质量块2-4。
【具体实施方式】
[0011]本发明是一个固定于轮胎气门嘴上的压电俘能器装置，随着轮胎的振动将轮胎振动的能量转化为电能，通过后端电路的整流和存储，最后输出为稳定的电压给胎压监测系统传感器供电。
[0012]下面结合附图对本发明做进一步说明:
如图1-4所示，基于轮胎气门嘴的能量采集系统包括能量采集装置、轮毂5、轮胎6 ;轮毂5外设有轮胎6，轮毂5上设有能量采集装置，能量采集装置包括气门嘴1、压电俘能器2、控制电路板3、胎压监测系统传感器4，气门嘴I包括气门嘴体1-1、第一轮毂密封垫1-2、第二轮毂密封垫1-3、嘴体螺母1-4，压电俘能器2包括压电材料层2-1、弹性梁2-2、固定圈2-3，质量块2-4，固定圈2-3上固定有一个或多个弹性梁2-2，弹性梁2_2上不同的合适位置贴有压电材料层2-1，悬臂梁2-2端部固定有质量块2-4，气门嘴体1-1上套有固定圈
2-3、第一轮毂密封垫1-2，穿过轮毂5套有第二轮毂密封垫1-3，并用嘴体螺母1-4固定在轮毂5上，气门嘴体1-1端部设有控制电路板3、胎压监测系统传感器4。
[0013]如图5所示，所述的控制电路板3的控制电路为:变压器T输入端连接压电俘能器2，输出端连接全桥整流电路，整流电路包括四个整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4，整流二极管Dl的阳极和整流二极管D4的阴极和变压器T的一端相连接，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极和变压器T的另一端相连接，整流二极管D3和整流二极管D4共阳极连接并接地，整流二极管Dl和整流二极管D2共阴极连接滤波电容Cl的一端，滤波电容的Cl的另一端连接整流二极管D3的阳极，滤波电容Cl的一端串联一个滤波电阻Rl后与滤波电容C2的一端相连，滤波电容Cl的另一端直接于滤波电容C2的另一端相连接，滤波电容C2的一端串联一个限流电阻Rs后再与稳压二极管Dz的阳极相连，滤波电容C2的另一端直接与稳压二极管Dz的阴极相连。
[0014]本发明将压电俘能器装置和气门嘴结构集合，利用智能材料的力电耦合性能采集轮胎振动产生的能量，经过后端控制电路板的处理，从而为胎压监测传感器供电。本发明采用的压电俘能器是将智能材料粘贴于弹性悬臂梁的压电悬臂梁装置。本发明中智能材料采用压电陶瓷，压电聚合物等材料。本发明中智能材料还可采用其他具有力电耦合性能即在力的作用下可以产生电的智能材料。
[0015]基于轮胎气门嘴的能量采集方法是:将压电俘能器2通过固定圈2-3固定在气门嘴I安装在轮毂5上，位于轮胎6的内部，在车辆行驶过程中，轮胎的振动将引起气门嘴I的振动，气门嘴I的振动将导致固定在气门嘴I上的压电俘能器2的振动，从而引起压电俘能器2的一个或者多个弹性梁2-2的振动，由于弹性梁2-2上粘贴有压电材料2-1，该压电材料在外部振动的情况下可以产生应力，由于材料的力电耦合性能，在应力的作用下，将在压电材料层2-1的上下表面产生电荷，从而将轮胎振动的能量转化成电能，再通过控制电路板3给胎压监测传感器4供电，由压电材料层2-1产生的电荷通过一个变压器T变换到一个1V-5V交流电压，通过四个整流二极管的整流作用，将交流电压转换成脉动直流电压，再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉动直流电压转化成直流电压，最后通过限流电阻Rs和稳压二极管Dz的调节输出一个1V-5V的稳定直流电压，实现将轮胎振动的能量采集并供电给胎压监测传感器4。
【权利要求】
1.一种基于轮胎气门嘴的能量采集系统，其特征在于包括能量采集装置、轮毂(5)、轮胎(6);轮毂(5)外设有轮胎(6)，轮毂(5)上设有能量采集装置，能量采集装置包括气门嘴(I)、压电俘能器(2)、控制电路板(3)、胎压监测系统传感器(4)，气门嘴(I)包括气门嘴体(1-1)、第一轮毂密封垫(1-2)、第二轮毂密封垫(1-3)、嘴体螺母(1-4)，压电俘能器(2)包括压电材料层(2-1)、弹性梁(2-2 )、固定圈(2-3 )，质量块(2-4 )，固定圈(2-3 )上固定有一个或多个弹性梁(2-2 )，弹性梁(2-2 )上贴有压电材料层(2-1)，弹性梁(2-2 )端部固定有质量块(2-4 )，气门嘴体(1-1)上套有固定圈(2-3 )、第一轮毂密封垫(1-2 )，穿过轮毂(5 )再穿有第二轮毂密封垫(1-3)，并用嘴体螺母(1-4)固定在轮毂(5)上，气门嘴体(1-1)端部设有控制电路板(3 )、胎压监测系统传感器(4 )。
2.根据权利要求1所述的一种基于轮胎气门嘴的能量采集装置，其特征在于所述的控制电路板(3 )的控制电路为:变压器T输入端连接压电俘能器2，输出端连接全桥整流电路，整流电路包括四个整流二极管Dl、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4，整流二极管Dl的阳极和整流二极管D4的阴极和变压器T的一端相连接，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极和变压器T的另一端相连接，整流二极管D3和整流二极管D4共阳极连接并接地，整流二极管Dl和整流二极管D2共阴极连接滤波电容Cl的一端，滤波电容Cl的另一端连接整流二极管D3的阳极，滤波电容Cl的一端串联一个滤波电阻Rl后与滤波电容C2的一端相连，滤波电容Cl的另一端直接于滤波电容C2的另一端相连接，滤波电容C2的一端串联一个限流电阻Rs后再与稳压二极管Dz的阳极相连，滤波电容C2的另一端直接与稳压二极管Dz的阴极相连。
3.一种采用如权利要求1所述系统的基于轮胎气门嘴的能量采集方法，其特征在于将压电俘能器(2)通过固定圈(2-3)固定在气门嘴(I)安装在轮毂(5)上，位于轮胎(6)的内部，在车辆行驶过程中，轮胎的振动将引起气门嘴(I)的振动，气门嘴(I)的振动将导致固定在气门嘴(I)上的压电俘能器(2)的振动，从而引起压电俘能器(2)的一个或者多个弹性梁(2-2)的振动，由于弹性梁(2-2)上粘贴有压电材料(2-1)，该压电材料在外部振动的情况下可以产生应力，由于材料的力电耦合性能，在应力的作用下，将在压电材料层(2-1)的上下表面产生电荷，从而将轮胎振动的能量转化成电能，再通过控制电路板(3 )给胎压监测传感器(4)供电，由压电材料层(2-1)产生的电荷通过一个变压器T变换到一个1V-5V交流电压，通过四个整流二极管的整流作用，将交流电压转换成脉动直流电压，再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉动直流电压转化成直流电压，最后通过限流电阻Rs和稳压二极管Dz的调节输出一个1V-5V的稳定直流电压，实现将轮胎振动的能量采集并供电给胎压监测传感器(4)。
【文档编号】H02N2/18GK103888021SQ201410064131
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】邹鸿生, 张旭方, 李华 申请人:浙江大学