专利名称：用于在车胎内产生电能的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在车胎内产生电能的方法和系统。更具体地说，通过使用将由于滚动期间的轮胎弯曲的机械应变转换成存储在蓄能设备中的电荷的压电技术，来产生电能，从而使得可用于位于轮胎内的电子设备。本发明还涉及用于监控轮胎的操作参数的系统。
背景技术：
将电子设备包含在气胎中正被认为越来越重要，以便增加车辆的安全性。轮胎电子设备可以包括传感器和适合于获得有关轮胎的各种物理参数，诸如温度、压力、轮胎转数、车速的信息的其它部件。这些信息可能在轮胎监视和/或告警系统中有用。此外，车辆的主动控制系统可以基于从包括在轮胎内的传感器设备发送的信息。典型地，采用无线传输以便将轮胎外的轮胎性能信息发送到位于车辆上的接收机，使得位于轮胎内的这些电子设备典型地包括与天线连接的发射机。通常还采用微处理器，以便在发射前收集和处理来自性能传感器的信号。
通常通过各种技术和不同的发电系统向这些集成轮胎电子设备供电。
用于供电轮胎电子系统的典型解决方案是使用不可充电电池，由于正确的电子系统设备操作依赖于定期电池替换，可能导致轮胎用户的不便。事实上，当向以复杂的功能性级为特征的电子应用供电时，电池易于相当快速地耗尽它们的蓄能。此外，传统的电池通常包含环境不符并存在处理问题，特别是当大量采用时的重金属。此外，传统电池的性能通常受温度影响，特别地，这些电池的功能在低温时不可靠。
用于供电轮胎监控系统的另一已知方法是在位于极接近的车辆上的天线和包括在位于轮胎中的电子设备内的天线之间耦合射频(RF)功率。这通常要求时常暴露位于车辆部分中的天线而受道路危害，从而可能不是用于供电轮胎电子应用的理想解决方案。
也建议使用压电元件来供电轮胎监控系统。压电效应是当机械加压时产生电的某些材料，诸如石英、罗谢尔盐以及某些固溶体陶瓷材料，诸如锆钛酸铅(PZT)的属性。
例如，PCT专利申请WO01/80327A1公开了用于在车胎中产生电能的系统，包括至少沿轮胎的一部分在纵向延伸的至少一个细长压电元件。该细长压电元件最好包括沿轮胎圆周的直线或波状路径延伸的同轴电缆。
PCT专利申请WO03/095244A1公开了用于由具有压电结构和蓄能设备的旋转轮胎的机械能产生电功率的系统。该结构包括在环氧树脂基体中以通常不定向方式嵌入的多个压电光纤。该结构安装在用于在压电结构中均匀地分布机械应变的支撑衬底上。该结构安装在用于当车轮沿地面移动时产生电荷的轮胎内。
US专利第4,510,484公开了用于检测在轮胎轮圈上安装并经受正常振动的气胎的条件的设备。该设备包括外壳、用于将外壳安装到轮胎轮圈上的带条、用于监控轮胎内的条件的传感器、可操作地连接到传感器用于产生表示轮胎条件的无线电信号的电路、可操作地连接到该电路的电源以及用于接收无线电信号的接收机。电源包括具有基座部分和终端部分的径向延伸的压电簧片。基座部分弹性地与外壳结合。将调谐质量构件安装到终端部分并构造成与限制压电簧片的弯曲冲程和禁止簧片的复合弯曲的止动构件邻接配合。相对于压电簧片调整调谐质量构件的大小以便获得对应于在车辆操作期间产生的普通车轮振动的约60Hz的电源振动的固有谐振频率。在操作中，离心力用来推动调谐质量构件远离旋转车轮的辐射中心。这些力易于使由压电簧片元件限定的平面与辐射中心线对准。在静止平衡状态下簧片元件未与辐射中心线对准的情况下，离心力使簧片元件弯向这种对准以及可以将调谐质量构件推动成与相邻止动构件持续啮合。这种持续啮合将用来降低簧片元件的振动，并相应降低电源向无线电电路供电的能力。当沿辐射中心线适当地对准簧片元件时，电源在操作期间可以享有最大振动冲程，具有向无线电电路供电的最佳能力。
US专利第6,438,193公开一种轮胎的自供电旋转计数器，包括机电能量变换器和旋转计数电路。一个压电晶体元件既充当能量变换器，还充当旋转传感器。以每次相对于道路或其它车辆支撑面压缩包含该压电元件的轮胎的圆周部分时，使它与轮胎一起弯曲的方式，将该压电元件连接到或嵌入轮胎的内壁内、胎面或侧壁下。当弯曲压电元件时，产生正脉冲。当再次伸直时，压电元件以比正脉冲显著低的峰值电平产生阻尼振荡正/负信号。由压电元件的物理特性(质量、柔性)确定阻尼振荡。典型的测量振荡频率为约100Hz。根据作者，这些振荡有利于能量转换。在“193专利”中公开的压电元件的优选实施例是具有接合在一起的两个圆形板和中心的压电晶体板的圆形单压电晶片(unimorph)。根据作者，在该结构中，应力分布比通过在典型的悬臂装配中实现的双压电晶片更均匀。作者还公开了通过在测试的悬臂装配的双压电晶片压电元件中的大的偏转而获得34V的开路电压。然而，申请人注意到在“193”专利中没有公开与测试悬臂装配的双压电元件的结构和轮胎内的装配有关的细节。
申请人面对通过机电能量变换，采用压电效应来产生将提供给包括在轮胎内、适合于监控至少一个轮胎参数(例如压力、温度、轮胎转数、行驶距离、转速、加速度)的电子设备的足够功率的问题。根据申请人，适合于获得该结果的压电元件的结构应当是安装在与胎面区一致的轮胎部分中的悬臂装配的弯曲型。然而，对于压电元件的另一要求是耐久性。换句话说，安装在对应于胎面区的轮胎部分中、包括悬臂装配的弯曲型压电元件的结构还应当保证防止可能由在轮胎的滚动期间，特别是以高速滚动期间，压电元件所经受的巨大离心力引起的早期裂缝和/或断开。
申请人已经发现，通过以悬臂装配的形式，在对应于其胎面区的轮胎部分中(例如附着到轮胎的内表面，基本上与其赤道平面对应)，使压电元件位于与轮胎相连的外壳内，能获得足够的功率以及长的耐久性。压电元件承载质量块以及在外壳的内壁和负载质量块的外表面之间存在小的间隙。外壳与轮胎相连以便沿基本上垂直于轮胎的径向的平面放置压电元件。确定压电元件、负载质量块和小间隙的大小以便允许a)当轮胎以低速旋转时，压电元件基本上在轮胎的完整转期间振荡；b)当轮胎以高速旋转时，压电元件基本上仅在包括压电元件的轮胎部分与道路接触时振荡。在情况b)中，在包括压电元件的轮胎部分不与道路接触的小部分轮胎转中，通过由轮胎的旋转产生的离心力，固定到压电元件的负载质量块被推动靠向外壳的内壁，使得压电元件实际上不经受变形变化。
换句话说，当轮胎以低速旋转时，在轮胎的完整转期间，通过压电元件的振荡而产生高质量电能。压电元件的小间隙和刚性不允许压电元件的大偏转，使得降低由于基本上连续振荡的裂纹和/或断开的发生。当轮胎以高速旋转时，除压电元件通过相应接触片期间外，通过在几乎完整轮胎转中与外壳的内壁相接触，抵消了压电元件所经受的高径向加速度。这也降低了压电材料中裂纹和/或断开的发生。然而，由于在压电元件通过对应接触片期间，压电元件的基本上自由振荡，仍然产生能量，此时径向加速度基本上为零。
发明内容
在第一方面中，本发明涉及一种用于在轮胎内生成电能的方法，该方法包括-将包括压电元件的外壳与对应于轮胎胎面区的轮胎部分相连，该压电元件基本上沿垂直于所述轮胎径向的平面排列，并具有基本上固定到所述外壳的第一端和固定到负载质量块的第二端，在所述外壳的至少一个内壁和所述负载质量块的外表面之间形成间隙；-以低于给定速度的第一转速在滚动面上旋转所述轮胎，以便使所述负载质量块在所述间隙内振荡，从而在所述轮胎旋转期间，导致所述压电元件的第一变形；-以高于所述给定速度的第二转速在所述滚动面上旋转所述轮胎，以便在一个完整轮胎转的第一小部分期间，使所述负载质量块与所述内壁接触，在所述第一小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区不与所述滚动面接触，以及在一个完整轮胎转的第二小部分期间，使所述负载质量块在所述间隙内振荡，在所述第二小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区与所述滚动面接触，从而在所述轮胎旋转期间，导致所述压电元件的第二变形；-收集由所述压电元件的所述第一和第二变形产生的电能。
在第二方面中，本发明涉及一种用于产生电能的系统，包括-轮胎；-包括压电元件的电源，与对应于轮胎胎面区的轮胎部分相连；其中，-所述压电元件排列在外壳内以便具有基本上固定到所述外壳的第一端和与负载质量块相连的第二端，在所述外壳的至少一个内壁和所述负载质量块的外表面之间形成间隙；-基本上沿垂直于所述轮胎径向的平面放置所述压电元件；-确定所述压电元件、所述负载质量块和所述间隙的尺寸以便获得a)在以低于给定速度的第一转速在滚动面上旋转轮胎期间，与所述压电元件相连的所述负载质量块在所述间隙内振荡；b)在以高于所述给定速度的第二转速在滚动面上旋转轮胎期间，在一个完整轮胎转的第一小部分期间，所述负载质量块与所述外壳的所述内壁接触，在所述第一小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区不与所述滚动面接触，以及在一个完整轮胎转的第二小部分期间，与所述压电元件相连的所述负载质量块在所述间隙内振荡，在所述第二小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区与所述滚动面接触。
在第三方面中，本发明涉及一种用于监控轮胎的至少一个操作参数的系统，包括-包括根据本发明的第二方面的电源的用于生成电能的系统；-与所述电源相连的传感器设备，包括用来测量所述至少一个操作参数的测量设备，和用来传送所述测量参数的发射机设备；-用来接收所述发送的测量参数的接收设备。
通过仅通过非限定的例子提供的一些示例性实施例的详细描述、将参考附图进行的说明，将使本发明的另外的特征和优点变得显而易见，其中图1表示根据本发明的示例性轮胎的横截面；图2表示将包括在图1的轮胎中的传感器设备的示例性方案；图3a和3b表示将包括在图2的传感器设备中用于供电的示例性挠曲压电元件；图4表示在一个完整轮胎转期间对应于胎面区的轮胎部分所经受的径向加速度对时间的典型曲线；图5表示诸如图4中所示的径向加速度曲线的典型频谱；图6表示图3的挠曲压电元件的示例性频率响应；图7表示从安装在以20km/h速度旋转的轮胎上的图3的挠曲压电元件获得的信号；图8表示从安装在以50km/h速度旋转的轮胎上的图3的挠曲压电元件获得的信号；图9表示在以低速(40km/h)旋转轮胎期间，固定到图3的挠曲压电元件的负载质量块所经受的位移与时间的关系曲线；图10表示在以高速(80km/h)旋转轮胎期间，固定到图3的挠曲压电元件的负载质量块所经受的位移与时间的关系曲线；图11是图10的一部分的放大视图；图12表示在通过诸如图3a，3b所示的挠曲压电元件的测试中获得的存储电能对时间的三个曲线。
具体实施例方式
图1表示包括轮胎11和支撑轮圈12的车轮的截面图。图1中所示的轮胎11是通常称为“无内胎”的类型，即，不包括内胎。通过例如位于所述轮圈12的通道上的充气阀13来充气该轮胎。
轮胎11包括胎体16，终接在两个胎圈14和14’中，胎圈分别沿胎体16的内圆周边缘形成，用于将轮胎11固定到相应的支撑轮圈12。胎圈14，14’包括各自的增强环形铁心15和15’，称为胎圈铁心。胎体16由包括织物或金属帘线、在环形剖面中从一个胎圈14轴向延伸到另一个胎圈14’，并具有与各自的胎圈铁心15和15’连接的末端的至少一个增强层形成。在称为径向类型的轮胎中，上述帘线实际上位于包含轮胎的旋转轴的平面中。被称为皮带结构的环形结构17相对于胎体16位于径向外部位置中。典型地，皮带结构17包括一条或多条弹性材料，包含彼此重叠的金属线和织物帘线。弹性材料的胎面区18缠绕在皮带结构17上并压印有用于使轮胎与地面滚动接触的凹凸图案。弹性材料的两个侧壁19和19’分别从相应胎圈14和14’的外缘向外径向延伸，均位于轴向相对横向位置的胎体16上。在无内胎轮胎中，胎体16的内表面通常覆盖有衬套111，即具有一层或多层不透气的弹性材料。根据轮胎11的特定设计，可以提供其它已知元件，诸如例如胎边芯。
传感器设备3包括在轮胎11内。传感器设备3位于对应于轮胎11的胎面区的轮胎部分中，即位于在轮胎11的侧壁之间轴向延伸的轮胎11区域中的部分中。最好，基本上对应于轮胎11的赤道平面放置传感器设备。在图1所示的优选实施例中，传感器设备3被固定到轮胎11的内衬111。固定元件332粘附于传感器设备3和内衬111两者。固定元件332提供将传感器设备3固定到轮胎的内衬111，以及适合于服从在滚动期间由轮胎结构所受的变形，以便稳定地保持这种传感器固定。用于固定元件332的适当材料可以包括通常的柔性橡胶，诸如天然橡胶或合成橡胶，例如由具有从4至10碳原子的共轭二烯获得的橡胶，诸如聚异戊二烯、聚丁二烯、苯二烯-丁二烯橡胶等等。用于传感器设备3和轮胎11之间的提高的粘合，在固定元件332和轮胎11的内表面之间和/或固定元件332和传感器设备3之间放入另外的粘合元件，例如双面胶膜是有利的。适当的双面胶膜可以是用3M标记的Scotch300 SL HI Strength。在另外的实施例中，传感器设备3可以包含在对应于胎面区的轮胎部分中的轮胎结构内，例如在胎面区内，或外皮带条和胎面区之间。
在图2中示出了示例性传感器设备3的方案。传感器设备3包括电源31、微控制器33、测量设备34、射频发射机36、天线37。电源31包括挠曲压电元件，如在下文中详细所述，在道路上滚动期间，该元件在由轮胎传送给它的外力下变形。由于压电效应，这些变形产生电荷，电荷能由适当的电极收集并输送到电压准备电路32，该电路通常包括二极管整流桥(未示出)，该整流桥适合于变换直流中的交流电。电压准备电压32还包括电容器(未示出)，该电容器适合于存储由压电效应产生的电荷。电压准备电路32还可以包括电压控制器(未示出)，其适合于校验电容器两端的电压是否高于预定最小值(例如2.7伏)。由电源31产生并存储在电压准备电路32中的电能被输送到微控制器33、测量设备34(经开关35)以及射频发射机36。测量设备34包括适合于测量被监控的轮胎参数或多个轮胎参数，诸如例如压力和/或温度的传感器。测量设备34还包括适合于变换电信号中的检测参数的控制电路。射频设备36适合于经天线37，向轮胎外、通常位于安装轮胎的车辆上的接收机(未示出)发射包含所测量的参数或多个参数的信息帧。微控制器33通常包括CPU，该CPU控制传感器设备3的操作。在图2所示的优选实施例中，微控制器33经第一定时/使能电路38，使能开关35闭合通向测量设备34的电路，以便接通它用于执行被监控的特性参数或多个参数的测量。此外，微控制器33经第二定时/使能电路40，使能向外部接收机传送帧。此外，微控制器33收集来自测量设备34的信号，经模/数转换器39将它们转换成数字形式，以及处理它们以便提取将要经射频发射机36发送到轮胎外的信息。可以以预定时间间隔来执行开关35的闭合的使能以及发射机36的帧发射的使能。例如，第一定时/使能电路38可以每两分钟驱动开关38的闭合，而第二定时/使能电路40可以每七分钟使能将所收集的数据发送到外部，因为相对于参数测量，射频发射通常要求更多的功率。如另一例子，当包括在电压准备电路32中的电容器两端的电压高于预定阈值时，可能使能开关38的闭合和/或收集数据的发送。可以以任何传统的方式将第一和第二定时/使能电路38，40实现为与微控制器33分开的硬件电路，或集成在微控制器33的存储器内的软件对象。
图3a表示电源31的侧面横截面。电源31包括外壳311、压电元件313和与压电元件相连的负载质量块312。图3b表示在图3a中，沿如A-A所示的截面的电源的视图。参考图3a，以悬臂方式将压电元件放置在外壳内。换句话说，压电元件313在其第一端315固定到外壳311，而第二端316与负载质量块312相连。压电元件最好形成为平面元件。另外，压电元件能形成为簧片元件或条状元件。在优选实施例中，平面压电元件包括至少两个平面压电晶体，由平面导电(例如金属)板分开(双压电晶片结构)。电极通常位于压电元件的外表面上。电源31与轮胎相连以便沿基本上垂直于轮胎径向(在图1、3a、3b中表示为“E”)，即从轮胎的旋转轴辐射的方向的平面放置压电元件313。用这种方式，压电元件313和相关负载质量块312在轮胎滚动期间经受径向(即离心)加速度。为了均匀地分布由压电元件313经受的应力，最好基本上根据轮胎的轴向(在图1，3a，3b中表示为“F”)，即平行于轮胎的旋转轴的方向来放置压电元件313的较长侧面。另外，可以根据轮胎的纵向(在图1，3a，3b中表示为“L”)来放置压电元件的较长侧面。选择压电元件313、负载质量块312和外壳311的几何尺寸，以便在负载质量块312的外表面和外壳311的内壁之间留出空隙314，也称为“间隙”，其实际上限定了压电元件313被允许的最大偏转。为了限制电源31的尺寸和基本上在压电元件313的第二端移动压电元件+负载质量块结构的质量中心，负载质量块312最好是U形，如图3a所示。
在操作中，使电源31经受由于轮胎旋转而产生的离心加速度。使离心加速度与来自滚动期间轮胎与地面的相互作用的其它加速度作用合成。图4表示在轮胎旋转期间，与电源31相连的轮胎部分可能经受的合成径向加速度对时间的示例性曲线。
在一个完整轮胎转的第一小部分期间，在此期间，对应于与电源31相连的轮胎部分的胎面区不与地面接触，加速度基本上恒定，除在下文中将说明其存在的图4中可见的波动外，以及假定取决于轮胎转速的平方的值。在轮胎与地面之间的接触区的最开始，在由于从圆周过渡到平面结构期间轮胎所经受的变形而初始增加后，在一个完整轮胎转的第二小部分期间，在此期间，对应于与电源31相连的轮胎部分的胎面区与地面接触，加速度水平下降到基本上为零，如能在图4的中心部分所看到的。当对应于与电源31相连的轮胎部分的胎面区脱离接触区时，面临加速度水平的进一步增加。
在一个完整轮胎转的上述第一部分期间，电源31可经受极大加速度，该加速度在高速达到几百g的值(例如在120km/h为360g)。经受基本上沿图3a和3b中的方向E的此加速度，使负载质量块312被推离第一平衡位置而朝向外壳311的内壁，在第一平衡位置中，压电元件313实际上垂直于轮胎的径向，推离程度取决于压电元件313的柔性特性和负载质量块312的尺寸，最大推离程度由间隙314限定。由于压电效应，负载质量块312的移动导致压电元件313的相应挠曲，即产生电荷。然而，在该“静态”加速度下，只要负载质量块达到根据加速度值，即轮胎转速而可能在间隙314内或靠向外壳311内壁的第二平衡位置，则突然中断电荷的生成。转速越大，第二平衡位置越远离第一平衡位置，达到由间隙314限定的最大值，如上所述。
另一方面，在一个完整轮胎转的上述第二小部分期间，即对应于与电源31相连的轮胎部分的胎面区经过与地面的接触区期间，由于加速度下降到基本上为零的事实，负载质量块312被留在第一平衡位置周围自由振荡，以致没有力再用来使负载质量块312保持在第二平衡位置中。由于压电效应，负载质量块312的振荡导致压电元件313的相应挠曲，即产生电荷。根据振荡程度和由压电元件313的阻尼特性强加的阻尼效应，这些振荡可以提供大量电荷。然而，只要结束经过接触片，离心加速度导致强迫停止振荡，使负载质量块位于第二平衡位置，以及相应地停止产生电荷。
在一个完整轮胎转的第二小部分中所产生的电荷的总数是许多效应的结果，它们中的一些相互抵消a)在低速时，振荡的程度相当低，然而，每次经过接触片相当长，以致如果适当地选择由压电元件313所强加的阻尼，可以获得大量振荡(即压电元件313的变形)；b)在高速时，振荡的程度更高，具有由间隙314限定的最大值；然而，每次经过接触片相对于上面情形a)具有更低的持续时间，以致振荡的次数更低，可是，在指定时间间隔中，相对于情形a)，经过接触片的次数更高，以致可以获得补偿，抵消每次经过的更低持续时间。
在上文中所述的与负载质量块312相连的压电元件313的行为被称为电源31所经受的加速度的所谓“第一谐波”作用，即每次轮胎旋转时产生的作用。与这种作用有关的频率可以在从0Hz至几十Hz的低频范围内变化，取决于轮胎转速(例如对以约150km/h速度的汽车轮胎来说，为约20-25Hz)，对应于在一秒内与电源31相连的轮胎部分经过接触片的数量。由于这种低频作用，可以获得电荷的“脉动”生成作为压电元件313的“脉动”振荡行为的结果，具有取决于轮胎转速的“脉冲频率”。
然而，电源31在径向经受的实际加速度还具有在高于上述频率范围中的分量，如从由图4所示的径向加速度曲线显示的波纹的存在可以看出的。这些高频分量是由于高次谐波作用，即，由于每次轮胎旋转不止一次发生的事件。例如，高次谐波作用可以是由于形成轮胎胎面的块与道路的相互作用。其它更高次谐波作用可以来自于由于在接触片下轮胎所经受的变形被传送到接触片外的轮胎部分，整个轮胎结构的振动模式。可以通过更小胎面部分与道路交互而产生进一步的高频作用，这取决于轮胎所滚动的地形(例如沥青)的颗粒度。
典型地，图5表示由连接到以80km/h的转速滚动的轮胎(PirelliP7 195/65R15，以2.2巴充气)的内衬的加速计获得的径向加速度信号的Fourier变换的结果(几次旋转)。图5表示不同重叠曲线，每个与在单个旋转中获得的加速度信号有关。在横坐标中，报告不同加速度分量的频率(用Hz)，而在纵坐标中，报告相同频率的可能不同作用的总和(以任意单位)。如能看出的，对达约200Hz的频率获得主作用。在根据申请人对应于实际上仅与轮胎结构有关的行为，即对应于轮胎结构对在地面上滚动而强加的应力的响应，而不是外部因素(诸如轮胎正滚动的地形的类型)，在该第一频率范围中很好地叠加对应于不同轮胎旋转的曲线。在更低速度，第一频率范围具有更低宽度，以及相应地，在更低频率产生图5所示的峰值(例如在40km/h，为约50Hz)。在更高频率，作用越来越低，以及可能由于在不同道路条件下滚动而显示出随机行为，由对高于约200-400Hz的频率可见的不同曲线的日益增加的扩散表示。总之，径向加速度的不同频率分量可以对压电元件313的变形，进一步对由上述第一谐波作用获得的变形产生其它作用。
通过比较，图6表示与负载质量块312相连的示例性压电元件313的频率响应。选择压电元件313的尺寸和材料以便获得约4800N/m的刚性k。将负载质量块312调整到约0.96克。为了获得频率响应，包括与负载质量块相连的压电元件的外壳被置于振动器设备上，该振动器设备由在0Hz和1000Hz之间的频率范围内将脉动激振力施加到振动器上的控制电子设备来驱动。振动器的运动导致负载质量块和压电元件的振荡，以及随后生成电荷。图6报告转移函数电压/加速度(用g表示)对激振力的频率。如从图6能看出，由压电元件和负载质量块形成的结构的谐振峰值在300Hz和400Hz之间，即远离图5中所示的峰值。这表示实际上，在轮胎滚动期间，由轮胎传送到包括悬臂型压电元件313的电源的激振力基本上不能引起压电元件313的谐振振荡。这一事实很重要，以便降低能由压电元件313的持续大的振荡引起的压电材料中裂纹的出现，以及最终降低电源31的效率，或在最糟情况下，降低压电元件313的过早断裂。
即使未谐振，无论如何由具有高于“第一谐波”频率的频率的径向加速度的分量来激励压电元件313。申请人已经证实当轮胎以低速滚动时，即当由轮胎旋转产生的离心加速度不足够强以便真正抵消径向加速度的所有其它频率分量时，与压电元件313相连的负载质量块312在上述第二平衡位置，即当由离心加速度推动时负载质量块达到的位置周围振荡。由于“高频”分量(即由于更高次谐波的分量和/或由于轮胎胎面和道路之间的相互作用的分量)，这种振荡对通过压电效应而生成电荷非常有利。实际上，由于这些振荡，在一个完整轮胎转的第一小部分(即胎面接触片之外的部分)期间生成电荷的连续流，合计到在一个完整轮胎转的上述第二小部分(即胎面接触片)期间产生的电荷，用来形成在整个轮胎旋转期间电荷的“连续”生成。
如所述，这种行为在低速时发生。在更高速度，所产生的离心加速度相对于形成径向加速度的其它分量变得非常强，负载质量块312被推动靠向外壳313的内壁，以及实际上禁止负载质量块的任何运动。在这种情况下，在轮胎转的第二小部分中，无论如何生成电荷。
图7和图8表示电源31的不同行为。更具体地说，两个图表示由通过弹性片附着到轮胎的内衬的电源产生的电压与时间的关系曲线，该电源通过包括压电材料(PZT)的双压电晶片板而形成，在具有7mm宽度、13mm长度、7mm高度、0.5mm厚度的塑料外壳中，具有5mm宽度、11mm长度、0.46mm整体厚度的双压电晶片板。将0.97g的负载质量块固定到压电板的自由端。在径向方向上在外壳的内壁和负载质量块的外表面之间留下250μm的间隙(125μm+125μm)。
图7表示当轮胎以20km/h旋转时，由这种电源获得的电压与时间的关系曲线。可见三个强电压振荡，对应于与电源相连的轮胎部分的胎面区经过接触片，具有在整个时间间隔上延伸的更小电压振荡的叠加连续区。很清楚，电压振荡是由于当对应于与电源相连的轮胎部分的胎面区在接触片之外时，以及当对应于与电源相连的轮胎部分的胎面区在接触片之内时产生的压电板的实际振荡。
图8表示当轮胎以50km/h旋转时，由电源获得的电压与时间的关系曲线。由于更高旋转速度，强电压振荡的数量增加。然而，较小电压振荡实际上已经消失，因此所产生的电压信号与脉冲信号类似，具有彼此分开的突发。在第二种情况下，实际上仅当对应于与电源相连的轮胎部分的胎面区在接触片之内时，才产生电荷。
类似的结果如图9，10和11所示，表示通过传统的计算机模拟工具，由申请人执行的模拟结果。在模拟中，考虑位于轮胎的内表面上的表示上面参考图7和8所述的悬臂型压电电源的模型。将对应于由位于轮胎的内表面上的加速计在不同旋转速度所执行的测量获得的实际径向加速度信号的加速度曲线视为激励电源的加速度。
参考图9，曲线91表示在40km/h的速度获得的、用于模拟的加速度曲线与时间的关系曲线的一部分。曲线92表示压电元件+负载质量块结构的质量中心所经历的计算的位移与时间的关系曲线。直线93表示在一个方向上的最大允许位移，即间隙的一半。在图9的y轴中报告的值指位移值，以及将被视为用于加速度曲线91的任意单位。如由曲线92能看出的，在从由纵坐标值“0”表示的第一平衡位置，即当轮胎固定时压电板所获得的平衡位置位移的第二平衡位置附近，通过与负载质量块相连的压电板执行连续振荡。经受在旋转期间产生的离心加速度的质量块的中心达到第二平衡位置。图9表示较小实体振荡和更高实体振荡。更高实体振荡对应于与电源相连的轮胎部分所对应的胎面区经过接触片，即，曲线91达到基本上零值的位置。实际上存在较小实体振荡并在曲线92上全部重叠。还将注意到，在较高实体振荡期间，质量块的中心“击中”直线93，对应于负载质量块实际击中电源外壳的内壁。
参考图10，曲线101表示以速度80km/h获得的用于模拟的加速度曲线与时间的关系曲线的一部分。曲线102表示由压电元件+负载质量块结构的质量中心经历的计算位移与时间的关系曲线。直线93仍然表示在一个方向上的最大允许位移，即间隙的一半。在图10的y轴中报告的值是指位移值，以及将被视为用于加速度曲线101的任意单位。如由曲线102能看出的，在对应于与电源相连的轮胎部分的胎面区经过接触片，即，在曲线101达到基本上零值的地方，从最大允许位移开始，由与负载质量块相连的压电元件来执行脉冲振荡。图11表示图10的放大部分。如在图11中能看出的，曲线102首先叠加到线93，对应于负载质量块靠向外壳内壁的位置。当径向加速度(曲线101)减小时，负载质量块在第一平衡位置(在图11中为零纵坐标值)周围开始自由振荡，如由图11的中心部分中曲线102的强振荡所示。当径向加速度增加时，负载被推动靠向外壳的内壁，在相对于外壳内壁的一系列击中后结束，如由图11的右部中曲线102的阻尼振荡所示。
申请人已经证实如上所述，与对应于胎面区的轮胎部分相连的、具有被调整以便当轮胎以低速旋转时获得电荷的基本上连续生成，以及当轮胎高速旋转时获得电荷的基本上脉冲生成的不同分量(压电元件材料、尺寸、压电层的数量、负载质量块值、间隙)、如图3a，3b中所示定制的电源允许获得用于向包括在轮胎内、用于监控其特性参数的普通传感器设备供电的足够电功率。特别是，由于压电元件的基本上连续振荡，能在低速产生大量电荷。这如图12的图所示，其中，表示由申请人执行的一系列测试中获得的三个曲线。图12的三个曲线表示在(经整流器二极管桥)连接到参考图7和8所述的示例性电源的100μF的电容器中存储的电能与时间的关系曲线。在电容器两端连接3.3MΩ的负载电阻。电源位于施加从以20km/h、40km/h、60km/h速度旋转的轮胎获得的实际加速度信号的振荡器设备上。如能看出的，相对于在相同时间间隔内在40或60km/h速度储存的电能，在指定时间间隔中，在20km/h的速度，更多电能被存储在电容器内。此外，由于脉冲电荷生成的频率在60km/h更高，相对于在40km/h所存储的电能，在60km/h的速度，在指定时间间隔内储存更多电能。
电源的大的可靠性也已经由申请人证实。申请人相信，这取决于在低速时，压电元件被激励在大部分时间小程度地振荡，而通过外壳的内壁和负载质量块的外表面之间的间隙的适当尺寸调整，可以限制在与电源相连的轮胎部分经过接触片下时发生的大振荡的事实。因此，可以获得大大地降低压电材料内裂纹和断开的发生。电源的行为从“电荷的连续生成”变化成“电荷的脉冲生成”的精确速度值取决于形成电源的部件的精确尺寸。有利地，可以执行各种部件的尺寸确定以便获得中间速度之间，最好包括30km/h和70km/h之间，更好在40km/h和60km/h之间电源的行为变化。有利地，为了降低电源的谐振模式的发生，可以确定电源的各种部件的尺寸以便获得高于150Hz，最好高于200Hz，更好高于300Hz的压电元件+负载质量块结构的谐振频率。申请人认为，这种选择允许进一步增加电源的可靠性，因为在任何实际速度条件下，在轮胎旋转期间基本上避免了压电元件的大的谐振振荡。
使用双压电晶片PZT压电板来获得上述性能的电源的示例性优选范围如下-PZT板的长度从8至18mm；-PZT板的宽度从3至18mm；-双压电晶片板的整体厚度从0.30至1.20mm；-负载质量块从0.05gr至3gr-间隙从50至400μm特别参考负载质量块大小，应注意到，负载质量块的小尺寸允许增加压电元件+负载质量块结构的谐振频率。此外，负载质量块的小尺寸允许降低由于存在电源而对轮胎旋转引起的不平衡。此外，负载质量块的小尺寸允许降低在振荡期间由对内壁的击中引起的电源外壳中的裂纹和断开的发生。然而，负载质量块的太小尺寸不允许压电元件的足够弯曲，结果电荷产生不足。用于电源尺寸确定的准则能选择足以基本上避免旋转期间轮胎的不平衡的负载质量块大小m(例如低于3gr的质量)、选择用于压电元件+负载质量块结构的谐振频率fr(例如高于150Hz)，然后由通过颠倒下述非常公知关系计算的刚性k导出压电元件的尺寸fr=12πkm.]]>
权利要求
1.一种用于在轮胎内生成电能的方法，该方法包括-将包括压电元件的外壳与对应于轮胎胎面区的轮胎部分相连，该压电元件基本上沿垂直于所述轮胎径向的平面排列，并具有实质上固定到所述外壳的第一端和固定到负载质量块的第二端，在所述外壳的至少一个内壁和所述负载质量块的外表面之间形成间隙；-以低于给定速度的第一转速在滚动面上旋转所述轮胎，以便使所述负载质量块在所述间隙内振荡，从而在所述轮胎旋转期间，导致所述压电元件的第一变形；-以高于所述给定速度的第二转速在所述滚动面上旋转所述轮胎，以便在一个完整轮胎转的第一小部分期间，使所述负载质量块与所述内壁接触，在所述第一小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区不与所述滚动面接触，以及在一个完整轮胎转的第二小部分期间，使所述负载质量块在所述间隙内振荡，在所述第二小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区与所述滚动面接触，从而在所述轮胎旋转期间，导致所述压电元件的第二变形；-收集由所述压电元件的所述第一和第二变形产生的电能。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述轮胎部分是轮胎的内表面的一部分。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述压电元件具有基本上根据所述轮胎的轴向排列的较长侧面。
4.如在前权利要求的任何一个所述的方法，其中，在以所述第二转速旋转期间，所述负载质量块在基本上沿垂直于轮胎径向的所述平面排列的第一平衡位置附近振荡。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在以所述第一转速旋转期间，所述负载质量块在不同于所述第一平衡位置的所述间隙内的第二平衡位置附近振荡。
6.如在前权利要求的任何一个所述的方法，其中，所述给定速度包括在30km/h和70km/h之间。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述给定速度包括在40km/h和60km/h之间。
8.一种用于产生电能的系统，包括-轮胎；-包括压电元件的电源，与对应于轮胎胎面区的轮胎部分相连；其中，-所述压电元件排列在外壳内以便具有实质上固定到所述外壳的第一端和与负载质量块相连的第二端，在所述外壳的至少一个内壁和所述负载质量块的外表面之间形成间隙；-基本上沿垂直于所述轮胎径向的平面放置所述压电元件；-确定所述压电元件、所述负载质量块和所述间隙的尺寸以便获得a)在以低于给定速度的第一转速在滚动面上旋转该轮胎期间，与所述压电元件相关的所述负载质量块在所述间隙内振荡；b)在以高于所述给定速度的第二转速在滚动面上旋转该轮胎期间，在一个完整轮胎转的第一小部分期间，所述负载质量块与所述外壳的所述内壁接触，在所述第一小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区不与所述滚动面接触，以及在一个完整轮胎转的第二小部分期间，与所述压电元件相连的所述负载质量块在所述间隙内振荡，在所述第二小部分期间，对应于所述轮胎部分的所述胎面区与所述滚动面接触。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述轮胎部分是轮胎的内表面的一部分。
10.如权利要求8或9所述的系统，其中，所述压电元件具有基本上根据轮胎的轴向排列的较长侧面。
11.如权利要求8至10的任何一个所述的系统，其中，所述给定速度包括在30km/h和70km/h之间。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述给定速度包括在40km/h和60km/h之间。
13.如权利要求8至12的任何一个所述的系统，其中，与所述外壳内的所述负载质量块相连的所述压电元件的谐振频率高于150Hz。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述谐振频率高于200Hz。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述谐振频率高于300Hz。
16.如权利要求8至15的任何一个所述的系统，其中，所述负载质量块低于3gr。
17.如权利要求8至16的任何一个所述的系统，其中，所述负载质量块为U形。
18.如权利要求8至17的任何一个所述的系统，其中，所述间隙具有400μm的最大范围。
19.如权利要求8至18的任何一个所述的系统，其中，所述压电元件是双压电晶片元件。
20.如权利要求8至19的任何一个所述的系统，其中，所述压电元件是平面元件。
21.如权利要求8至20的任何一个所述的系统，其中，所述压电元件的材料是PZT。
22.一种用于监控轮胎的至少一个操作参数的系统，包括-用于生成电能的系统，包括如权利要求8至21的任何一个的电源；-与所述电源相连的传感器设备，包括用来测量所述至少一个操作参数的测量设备和用来发送所述测量的参数的发射机设备；-用来接收所述发送的测量参数的接收设备。
23.如权利要求22所述的系统，其中，所述测量设备包括压力传感器。
24.如权利要求22或23所述的系统，其中，所述测量设备包括温度传感器。
25.如权利要求22至24的任何一个所述的系统，其中，所述测量设备包括加速度传感器。
26.如权利要求22至25的任何一个所述的系统，其中，所述测量设备包括轮胎旋转的计数器。
27.如权利要求22至26的任何一个所述的系统，其中，所述传感器设备包括与所述电源相连，适用于使能所述测量设备和所述发射机设备的微控制器。
全文摘要
轮胎包括与蓄能设备(例如电容器)相连的压电挠曲元件(313)。压电挠曲元件以悬臂方式安装在外壳(311)中以便基本上沿垂直于所述轮胎径向(E)的平面放置，以及使压电元件的第一端(315)连接到外壳。将负载质量块(312)连接到压电挠曲元件的第二端(316)。在外壳的内壁和负载质量块的外表面之间形成小间隙(314)，以便允许压电元件的有限挠曲。包括压电的外壳安装在对应于轮胎的胎面区的轮胎部分中，最好在轮胎的内表面上。当轮胎旋转时，压电元件在径向加速度的作用下弯曲。选择负载质量块和间隙以便获得a)当轮胎以低速旋转时，基本上在轮胎的一个完整转期间挠曲元件的小实体振荡；b)基本上仅在包括压电元件的轮胎部分经过接触片期间挠曲元件的大实体振荡。获得用于向包括在轮胎内的电子设备供电的足够电功率，以及压电元件的长耐久性。
文档编号B60C23/04GK1886842SQ200380110896
公开日2006年12月27日 申请日期2003年12月29日 优先权日2003年12月29日
发明者费德里克·曼柯苏, 巴巴拉·拉姆帕纳, 菲比欧·马里阿尼, 安德烈·卡拉特隆尼 申请人:倍耐力轮胎公司