一种用于胎压监测系统供电的风致振动能量采集装置的制作方法

本发明涉及一种用于胎压监测系统供电的风致振动能量采集装置，属于可再生能源技术领域。

背景技术：

风能作为一种能源的优势在于其可持续性、可再生性、无处不在且无污染。风能能量大，覆盖范围广，全球风能总量约有2.74×10⁹MW，其中可被利用的约2×10⁷MW，大约是水能可利用总量的十倍。同时，风能是一种干净的能源，环保无污染。

胎压监测系统(TPMS)是对处在行驶状态下的载具胎压及胎内温度情况进行实时的检测，并对胎压不足或者过高等情况进行预警，从而保证载具的行驶安全的主动型安全保障预警系统。轮胎内部比较封闭，因此胎压监测系统难以通过有线的方式直接供电，目前的胎压监测系统厂家一般采用高集成化的电池供电，但化学电池的体积限制了其使用寿命，同时还存在轮胎工作温度对电池影响大的缺点，许多公司及院校都开始了对胎压监测系统取代电池方案的研究。

目前已有的是利用微型发电装置进行自供电式的胎压监测系统，这种研究大多是利用行驶过程中轮胎变形或振动的机械能进行发电的方案，而考虑利用载具行驶过程中必会产生的风能，并将其转换为可存储使用的电能进行供能的相关研究几乎没有。同时，尽管有关风能采集利用的研究很多，但对于载具行驶中的风能进行研究利用的比较少。风能是在载具行驶过程中最佳的可利用能源，关于它的研究目前大多数的研究集中于新能源汽车方面，很少有人考虑利用载具风能来为车载微电子器件供电这一点。因此，本专利创新性地提出利用载具行驶过程中产生的风能，通过设计合理有效的能量采集结构，将风能转化为电能，实现为载具胎压监测系统这一车载电子器件供电的功能。

从目前已有的论文及专利来看，微型风能采集装置的设计原理大致分成两类：涡轮式微型风能采集装置以及风致振动式微型风能采集装置。涡轮式微型风能采集装置的发电原理类似于大型风车发电，首先利用气流带动涡轮或风扇旋转，再利用压电效应或电磁感应等机理将涡轮的旋转机械能转换成电能。而风致振动式微型风能采集装置是将气流转化成结构体的振动，然后再利用一般的振动能收集方法完成振动能向电能的转换。

涡轮式的微型风能采集器通常机构比较复杂，体积及质量较大，难以进行MEMS(微机械)制作；而基于风致振动机理微型风能采集器又存在发电功率密度偏低的缺点，需要采用新的方法或者新的结构来提高其发电效率。

基于风致振动机理的微型风能采集装置通常不需要转动机构，因而结构简单、易微型化，是一种易于实现的技术方案。本专利创新性地将压电式结构应用于风致振动机理的微型风能采集器中，实现了载具胎压监测系统的持续供电。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于胎压监测系统供电的风致振动能量采集装置，具有结构简单、使用方便、成本较低等优点，其发电功率较高，占用空间小，且安全环保，大大提高了胎压监测系统的使用寿命。

本发明所要解决的技术问题就在于采用合适的风致振动结构，将轮胎上的周期性气动力最大效率地转换为电能，即使其弹性梁的振动效率最大化，进而由弹性梁的振动产生电能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于胎压监测系统供电的风致振动能量采集装置，包括用于固定装置的壳体，所述壳体左侧的底部设置有螺纹连接孔，壳体通过螺纹连接孔固定于轮胎的气门嘴上；

所述壳体内腔的中部设置有隔板，隔板的左侧设置有胎压监测系统固定支座，所述胎压监测系统固定支座内设置有储能电路及胎压监测系统内电路；隔板的右侧设置有固定支座和振动梁；

固定支座固定于隔板上，振动梁的左端固定于固定支座上；振动梁的右端作为自由端，延伸至壳体外；所述振动梁表面设置有压电材料，所述压电材料通过储能电路与胎压监测系统内电路相连；

所述壳体的前侧壁面和后侧壁面各设置有一个长方形通孔，两个长方形通孔正对，且两个长方形通孔的水平中心线与振动梁位于同一水平面上。

本发明基于轮胎在行驶过程中所受周期性风力的特点，将载具行驶过程中的外界风能转化为机械能量，并通过压电梁结构的振动转化为电能。紧贴轮胎表面的空气流场受到轮胎表面的影响较大，但空气本身的粘性一般较小，轮胎表面的粗糙度有限，物面的边界层较薄，距离轮胎表面一定高度后，轮胎运动效应不会对表面气流产生影响。风能采集结构应安装在轮胎表面适当的高度，以抵消轮胎在旋转过程中表面的粘性作用对空气水平来流的方向和大小的影响。

优选的，沿振动梁的长度方向并排设置有圆柱体涡激振动诱导结构，圆柱体涡激振动诱导结构位于振动梁的前侧和/或后侧；圆柱体涡激振动诱导结构的左端固定于固定支座上，右端为自由端；所述圆柱体涡激振动诱导结构的中心线与振动梁位于同一水平面上。

所述壳体两侧的长方形通孔及圆柱体涡激振动诱导结构的存在，均用于诱发涡激振动并扰乱后方气流，促进压电梁的振动，提高周期性风力的能量采集效率。

优选的，所述振动梁为T型梁，且T型的大端部分为自由端。所述T形梁的方形端部用于承接轮胎运行过程中直接产生的周期性低频气动作用，其窄长的主梁部分用于感知圆柱体诱导的高频涡激作用。这样可充分利用一切气动能量，并产生宽频率的能量采集，大大提高能量采集效率。

优选的，所述压电材料为压电薄膜，且压电薄膜沿厚度方向极化。压电薄膜很薄，质轻，柔软，有韧性，可以无源工作。

优选的，所述压电薄膜呈长方形，且沿振动梁的长度方向，粘贴于振动梁的上和/或下表面靠近根部处。

有益效果：本发明提供的一种用于胎压监测系统供电的风致振动能量采集装置，相对于现有技术，具有以下优点：1、本发明结构简单，占用空间小，且成本较低，维护或更换方便；2、本发明发电功率较高，安全高效，环保无污染，大大延长了胎压监测系统的使用寿命；3、既能实现载具胎压监测系统的无源化供电，同时也可以为有源的胎压监测系统实时充电，保障了载具行驶的安全性。

附图说明

图1为本发明中作用于轮胎上的气流分析示意图；

图2为本发明实施例的结构安装示意图及局部放大的结构示意图；

图3为本发明实施例的内部结构示意图；

图4为本发明实施例中压电梁结构示意图；

图中包括：1、轮胎，2、风致振动能量采集装置，2-1、壳体，2-2、螺纹连接孔，2-3、隔板，2-4、胎压监测系统固定部，2-5、T型梁，2-6、固定支座，2-7、压电薄膜，2-8、通孔，2-9、圆柱体涡激振动诱导结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如图2所示为一种用于胎压监测系统供电的风致振动能量采集装置，包括用于固定装置的壳体2-1，所述壳体2-1左侧的底部设置有螺纹连接孔2-2，壳体2-1通过螺纹连接孔2-2固定于轮胎1的气门嘴上。

如图3所示，所述壳体2-1内腔的中部设置有隔板2-3，隔板2-3的左侧设置有胎压监测系统固定支座2-4，所述胎压监测系统固定支座2-4内设置有储能电路及胎压监测系统内电路；隔板2-3的右侧设置有固定支座2-6及T型梁2-5；

如图4所示，固定支座2-6固定于隔板2-3上，T型梁2-5的大端部分作为自由端，延伸至壳体2-1外，T型梁2-5的窄端部分固定于固定支座2-6上；所述T型梁2-5表面设置有压电薄膜2-7，所述压电薄膜2-7通过储能电路与胎压监测系统内电路相连；所述压电薄膜2-7呈长方形，压电薄膜2-7沿厚度方向极化，且压电薄膜2-7沿T型梁2-5的长度方向，粘贴于T型梁2-5的上和/或下表面靠近根部处。

如图2所示，所述壳体2-1的前侧壁面和后侧壁面各设置有一个长方形通孔2-8，两个长方形通孔2-8正对，且两个长方形通孔2-8的水平中心线与振动梁位于同一水平面上。

本实施例中，T型梁2-5的后侧并排设置有沿T型梁2-5的长度方向的圆柱体涡激振动诱导结构2-9，圆柱体涡激振动诱导结构2-9的左端固定于固定支座2-6上，右端为自由端；所述圆柱体涡激振动诱导结构2-9的中心线与T型梁2-5位于同一水平面上。

本发明中的圆柱体涡激振动诱导结构2-9和压电薄膜2-7的长度、数量、形状，以及固定支座2-6的构型可根据实际需求进行灵活选择和合理设计。

本发明的具体实施方式如下：

安装与轮胎1表面的风致振动采集装置2所受的载具风速是两个运动的叠加：一是局部坐标系下，轮胎1上各点围绕轮胎中心轴的运动；二是全局坐标系下，轮胎1中心轴的前进。这样就可以得到，轮胎1在固定转速下旋转一周的过程中，其气流速度、轮胎高度和运动方向的关系，如图1所示。分析得出，在载具保持匀速前进时，安装于轮胎1表面的风致振动采集装置2会受到周期性风速作用，由于风力和风速正相关，风致振动采集装置2所受的风力也具有周期性。

在载具以固定速度行驶的过程中，风致振动采集装置2所受风力具有周期性，气流会通过前后两侧通孔2-8进入壳体2-1内，且经过圆柱体涡激振动诱导结构2-9，从而诱发涡激振动并扰乱后方气流，促进T型压电梁2-5的周期性振动。与此同时，T形梁的方形端部将直接承接轮胎运行过程中产生的周期性低频气动作用。因而，采用这种T形梁方式将大大提高能量采集效率。采集后的能量经过储能电路为胎压监测系统内电路供电，既能实现载具胎压监测系统的无源化供电，同时也可以为有源胎的压监测系统实时充电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。