用于在车轮轮胎内产生电能的方法和系统的制作方法

专利名称：用于在车轮轮胎内产生电能的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在车轮轮胎内产生电能的技术方案。更具体而言，采用压电技术将轮
胎在滚动过程中由于挠曲而产生的机械应变转变为电荷，这些电荷被存储在电能存储装置 中，因而，布置在轮胎内的传感器器件可使用这些电能。
背景技术：
目前，在充气轮胎内部设置电子器件以提高车辆的安全性具有了更大的重要意 义。轮胎电子设备可包括传感器和其它一些适于获得信息的器件，其中的信息是指关于轮 胎各种物理参数的信息，这些物理参数例如是温度、压力、轮胎转动圈数等。这些信息对于 轮胎监控系统和/或报警系统而言将是有用的。此外，车辆的主动控制系统可基于安装在 轮胎内的传感器器件所发出的信息而工作。通常情况下，采用无线传输的方式，以便于将轮 胎的性能信息发送到轮胎外部，发送给布置在车辆上的接收器，因而，布置在轮胎内部的这 些电子器件通常包括与天线相连的发送器。通常还采用了微处理器，以便于在执行传输之 前从各个性能传感器收集信号，并对这些信号进行处理。 此类集成化的轮胎电子设备通常是由不同的发电系统、借助于各种技术来进行供 电的。 用于轮胎电子系统进行供电的一种常用方案是采用非充电电池，但这种方案会给 轮胎用户带来不便，原因在于电子系统的正常工作将取决于电池的定期更换。事实上，如 果向功能等级复杂的电子设备供电，则电池将趋于快速耗尽其电能存储。此外，普通的电池 一般都含有重金属，而这些重金属对环境而言是有害的，从而带来了如何处理这些电池的 问题-特别是在使用量巨大的情况下。另外，普通电池的性能常常受到温度的影响特别 是，在低温条件下，这些电池的性能并不可靠。 用于向轮胎监控系统供电的另一种现有方法是建立射频(RF)功率耦合，该射频 功率耦合是在布置于车辆上的天线与位于其附近的、且由位于轮胎中的电子器件所带的天 线之间建立起来的。该方法通常需要将天线布置在车辆上一些频繁承受道路行车损坏的部 位处，因而该方法并不是理想的轮胎电子设备供电方案。 现有技术中还提出了利用压电元件向轮胎监控系统供电的方案。压电性是诸如石 英、罗谢尔盐(rochelle salt)等一些材料以及锆钛酸铅(PZT)等某些固溶态陶瓷材料的 特性，这些材料在受到机械应力时能产生出电荷。 W0 2005/067073号PCT专利申请公开了一种轮胎，其包括压电性的挠曲元件，其 与电能存储装置(例如电容器)相连。该压电挠曲元件被以悬臂梁的形式安装在壳体中，以 便于将其定位成基本上顺贴着与所述轮胎径向方向垂直的平面，并使得压电元件的第一端 被约束在壳体上。在压电挠曲元件的第二端上联接了荷载质量体。在壳体的内壁与荷载质 量体的外表面之间形成了小的间隙，以允许压电元件产生有效的挠曲。包含着压电元件的 壳体被安装在轮胎中与胎面区域相对应的部位处，优选地是被安装在轮胎的内表面上。当 轮胎转动时，压电元件在径向加速度的作用下将发生挠曲。荷载质量体与间隙被选择为能
4获得如下效果a)当轮胎低速转动时，在轮胎转动一整圈的过程中，挠曲元件的总体振荡 量是很小的；b)基本上只有在带有压电元件的轮胎部分经过轮胎的接地斑区的过程中，挠 曲元件的总体振荡量才很大。 PCT专利申请WO 2006/003052公开了一种位于轮胎内部的压电发电机，在该申请 中，压电挠曲梁被安装在支撑件上。为了确保挠曲梁的运动自由度，在该挠曲梁上罩设了壳 体，同时设置了刚性的密封部件，以在轮胎的内部对整个结构提供机械保护。由于向心加速 度的变化，挠曲梁的端部将会移动，并使挠曲梁变形。结果就是，利用压电效应而产生出电 能。 PCT专利申请WO 2006/072539公开了这样一种由螺旋弹簧、扭力弹簧、或板式弹 簧作为弹性元件的结构，在该结构中，弹性元件的自由端上载带着震动质量体，轮胎的转动 将会向该质量体施加脉冲作用。将震动质量体与弹性元件相结合就形成了弹簧-质量体谐 振器。在轮胎的转动过程中，谐振器由于轮胎模块运动而产生的振荡将其在经过接地区域 时表现为直线运动，而在谐振器移动离开接触区域时则沿圆形路线运动。在圆形路线上，在 震动质量体上作用有离心力，而在理想的条件下，在处于接触区域时，在震动质量体上不应 该存在着任何作用力。离心力将使弹簧_质量体谐振器移动，从而，在谐振器经过接地区域 时，其将返回到平衡停息位置。

发明内容
如上文提及的PCT专利申请WO 2005/067073中所描述的那样，将压电元件与轮胎 的胎冠部分相连，从而，由于轮胎滚动过程中离心力存在着很大的变动，压电元件会在轮胎 的径向方向上发生振荡，该振荡可向适于监控至少一个轮胎参数的传感器器件提供足够的 电力。 但是，如上文提及的PCT专利申请WO 2005067073还公开的那样，在速度超过一定 阈值的条件下，压电元件将基本上只是在其所连接的轮胎部分处于接地斑区的短小行程期 间发生挠曲。该阈值速度可能会非常低(约50km/h)，这将不利地限制了轮胎每圈转动所能 存储的电能量，特别是在压电元件只能在预定间隙内振荡的情况下；对于这样的构造，人们 已经发现一旦达到阈值速度之后，无论轮胎转速是多少，轮胎每圈转动所能产生的可存储 电能量将基本上保持恒定。 申请人:已经发现如果利用轮胎滚动过程其胎冠部分所经受的纵向加速度变化来 促使压电元件发生振荡，则就能克服这一缺陷。 当轮胎的胎冠部分在接地斑区下经过的过程中，由于其将从基本为圆周形的形状 转变为基本为平直的形状，所以，其将出现纵向加速度的变化和离心加速度的变化。纵向加 速度的变化要弱于离心加速度的变化，所以，柔性压电元件由纵向加速度变化而引起振荡、 进而发出电能的峰值要远小于同一柔性压电元件由离心加速度变化所形成的振荡而发出 的电能峰值。 但是，由于离心加速度在轮胎的纵向方向上没有任何作用效果，且由于接地斑区 外部的轮胎部分所承受的纵向加速度是非常小的(如果轮胎转动速度恒定，其甚至为零)， 所以，在轮胎的整个转动圈内，柔性压电元件都可以在纵向加速度改变的作用下持续地自 由振荡，也就是说，不仅仅是在相关轮胎部分通过接地斑区时才振荡发电。结果就是，在每一轮胎转圈过程中能产生出更大的总发电功率。另外，在更大的速度范围内，轮胎每转所能 存储的总电能量能随着轮胎的转速而增大。 在第一方面，本发明涉及一种用于在轮胎内产生电能的方法。该方法包括步骤
-提供一种振荡结构，其包括壳体和与所述壳体相联接的压电元件，压电元件能在 振荡方向上发生振荡；-将所述振荡结构联接到所述轮胎的胎冠部分上；-在滚动平面上转动所述轮胎，以促使所述压电元件发生振荡，由此使得所述压电 元件在轮胎转动过程中发生变形；-存储由所述压电元件发生所述变形而产生出的电能； 其中，将所述振荡结构联接到所述轮胎胎冠部分的操作将所述振荡方向与轮胎的 纵向方向基本上相匹配。 在第二方面，本发明涉及一种用于产生电能的系统。该系统包括
-轮胎；-与所述轮胎的胎冠部分相联接的振荡结构，其包括壳体和联接到所述壳体上的 压电元件，压电元件能在振荡方向上振荡，由此在发生振荡时产生出电能；
-适于存储所述电能的存储电路，其与所述振荡结构相联接； 其中，所述振荡结构被联接到所述轮胎的所述胎冠部分应使得所述振荡方向与轮 胎的纵向方向基本上匹配。 在第三方面，本发明涉及一种用于对安装到车辆上的轮胎的至少一个工作参数进 行监控的系统。该系统包括-按照上述的、用于产生出电能的系统；-处理装置，其适于对由压电元件所产生的电信号进行处理，以便于确定所述至少 一个轮胎工作参数。 在上述各个方面的至少之一中，本发明可具有下文描述的一个或多个优选特征。
压电元件可被联接到所述壳体上，以使得其第一端基本上被固定到壳体上，其第 二端被固定到荷载质量体上。对于这样的构造，有利地是，振荡结构的质心可向着压电元件 上能自由振荡、进而能有效产生出电荷的第二端偏移。 可在所述壳体的至少一个内壁与荷载质量体的外表面之间形成间隙。对于这样的
构造设置，压电元件的振荡可被有利地限制为最大幅度，从而获得了可靠的结构。 联接着振荡结构的轮胎胎冠部分可以是轮胎内表面上的一部分。这样的设计可有
利地便于将振荡结构联接到轮胎上。 可这样来执行将振荡结构联接到轮胎胎冠部分上的操作将压电元件的长边布置 得基本上顺沿着轮胎的轴向方向。这样的结构设置减小了轮胎转动过程中压电元件所受到 的应力，从而带来了可靠性方面的优点。 为了避免压电元件受到太大的应力，联接到压电元件第二端上的荷载质量体可被 选择为小于4克。荷载质量体可以是U形的，从而最大程度地将振荡结构的质心移向压电 元件的第二端。 间隙的总最大幅度可以是400ym，以便于降低在压电元件上产生开裂的可能性。 间隙的"总最大幅度"是指当振荡结构处于平衡位置、荷载质量体各个侧边与壳体内壁之间
6(在振荡方向上)距离的总和。 举例而言，压电元件可以是双压电晶片型元件。在优选的实施方式中，压电元件是平板形元件。 在优选的实施方式中，振荡结构可被设计成具有高于150Hz的峰值谐振频率，更为优选地是，该频率高于200Hz，进一步优选地是高于300Hz。
压电元件所发出电能的存储电路通常包括电容器。 由压电元件产生的电信号可被进行处理，以便于从中提取出有关所述电信号特征峰值的信息。这些特征峰值与如下因素有关联接着振荡结构的胎冠部分进入到轮胎与滚动路面之间的接地区域中；与振荡结构相联接的胎冠部分离开所述接地区域。
例如，与所述特征峰值相关的提取信息可包括所述特征峰值上预定点之间距离。
作为另一个举例，与所述特征峰值相关的提取信息可包括所述特征峰值的信号次序。可基于所述的信号次序来确定出轮胎在车辆上的安装位置(右手侧或左手侧)。
通过对给定时间内其中 一个所述特征峰值的出现次数进行计数，还能确定出所述给定时间内所述轮胎在滚动过程中完成的转动圈数。 还可在振荡结构与处理装置上联接测量装置，其用于对轮胎至少一个另外的工作参数进行测量。 所述测量装置可包括压力传感器、和/或温度传感器、和/或加速度传感器。
可基于特征峰值上所述预定点之间的距离、以及由所述压力传感器测得的压力确定出轮胎被装配到车辆上时所承受的负载。 通常还在处理装置上联接发送器装置，用于将由处理装置确定的至少一个轮胎工作参数发送给接收装置(位于轮胎外部)。


从下文对一些示例性实施方式的详细描述，可清楚地了解本发明的其它特征和优
点，这些实施方式仅是作为非限定性的实例，下文将参照附图来进行介绍，在附图中 图1中的剖面图表示了一种示例性的轮胎，其带有根据本发明的传感器装置； 图2中的示例性示意图表示了图1所示轮胎中所带的传感器装置； 图3a和图3b表示了一种示例性的柔性压电元件，其要被设置在图2所示的传感
器装置中，用于进行供电； 图4表示了在轮胎转动一圈的过程中、与轮胎胎冠部分所受纵向加速度相关的典型信号； 图5表示了图3a和图3b所示柔性压电元件的示例性频率响应特性； 图6表示了图3a和图3b所示柔性压电元件在轮胎转速为17km/h时所输出的信
号； 图7表示了图3a和图3b所示柔性压电元件在轮胎转速为68km/h时所输出的信号； 图8中的三条曲线表示了对图3a和图3b所示柔性压电元件进行测试所获得的、所存储电能与时间之间的关系。
具体实施例方式
图1是车轮的剖面图，该车轮包括轮胎11和支撑轮辋12。图1所示的轮胎11属于通常所说"无内胎"型轮胎，也就是说，其不带有内胎。该轮胎借助于安装在所述轮辋12上的充气阀13来进行充胀。 轮胎11包括胎体16、其末端为两个胎边14和14'，每个胎边都是沿着胎体16的环周内侧边缘形成的，用于将轮胎11固定到支撑轮辋12上。胎边14、14'包括对应的环形增强边芯15和15'，其也被称为胎芯。胎体16是由至少一个增强帘布层构成的，其包括织物帘线或金属帘线，帘布层以环面体的形态从一个胎边14沿轴向延伸向另一胎边14'，其端部与对应的胎芯15、15'相连接。在所谓的子午线轮胎中，上述帘线基本上位于包含轮胎转动轴线的各个平面内。被称为束带结构的环形结构17被布置在胎体16的径向外侧位置上。通常情况下，束带结构17包括一条或多条弹性体材料条带，其包含有金属帘线和/或织物帘线，这些条带相互叠置在一起。胎面条带18围绕着束带结构17进行缠绕，用于形成轮胎与地面的接触区域。胎面条带上通常压印有浮凸的图案。两胎壁19和19'从对应胎边14、14'的外侧边缘向径向外侧延伸，它们也被布置在胎体16上，并位于轴向相反的位置上。在无内胎型轮胎中，胎体16的内表面上通常覆盖着胎衬111-即一层或多层气密的弹性体材料。按照轮胎ll的具体设计规格，还可以设置其它一些公知的元件-例如胎边填芯等。 传感器装置3被设置在轮胎11中。该传感器装置3被联接到轮胎中与胎面区域相对应的部分上，即联接到这样的部分上其处于轮胎11两胎壁之间的轴向延伸区域内。优选地是，传感器装置被布置成基本上对应着轮胎11的赤道中心面。在图1所示的优选实施方式中，传感器装置3被固定到轮胎11的内胎衬111上。固定元件332既粘连着传感器装置3，也粘连着内胎衬111。固定元件332将传感器装置3紧固到轮胎的内胎衬111上，且其适于顺应着轮胎滚动过程中所产生的变形，以便于能稳定地将所述传感器保持为紧固状态。 在属于本申请人的PCT专利申请2006W0-EP003844中公开了一种适于将传感器装置3稳定地牢固保持到轮胎上的固定元件332的优选实施方式，该申请被结合到本申请中作为背景。在该实施方式中，紧固元件(在PCT专利申请2006W0-EP003844中被称为"锚固体")包括至少两个由弹性体材料制成的部分。每个部分都具有紧固表面和保持性的子体部分，紧固表面将被固定到轮胎11的内部表面上。传感器3被布置在两个保持子体部分之间。环形形状的天线与传感器相连(参看下文)，天线可被布置沟槽中，沟槽被制在各个部分的紧固表面与保持子体部分之间，从而，天线内侧环周边缘与各个部分上所制出沟槽之间的接合关系可保持对传感器3及固定元件332的约束作用。 在备选的实施方式中，传感器装置3可被包含在轮胎上胎面区域的结构中，例如位于胎面条带中，或者位于外部的带束条带与胎面条带之间。 图2表示出了一种示例性传感器装置3的示意图。该传感器装置3包括电源31、微控制器33、测量装置34、射频发送器36、以及天线37。 电源31包括柔性压电元件，下文将详细对此进行描述，在轮胎在路面上滚动的过程中，会有作用力传递到该压电元件上，其在该作用力作用下发生变形。由于存在压电效应，该变形会产生出电荷，这些电荷将汇聚到合适的电极处，并被馈送到电压整备电路32，该电路通常包括二极管整流桥式电路(图中未示出)，其适于将交流电转变为直流电。电压整备电路32还包括电容器(图中未示出)，其适于存储由压电效应产生的电荷。电压整备电路32还包括电压控制器(图中未示出)，其适于对电容器两端的电压进行校验，使其高于预定的最小电压(例如为2.7伏)。 由电源31产生的电能被存储在电压整备电路32中，该电能被馈送给微控制器33、测量装置34 (经开关35)、以及射频发送器36。 此外，由柔性压电元件变形而产生的电信号还被直接发送给微控制器33，以便于
能对该信号执行分析，该信号分析操作目的在于提取出与轮胎某些工作参数相关的信息
例如轮胎与滚动路面之间接触区域的长度、和/或轮胎所受到的负载。 测量装置34包括适于对所监控的轮胎工作参数进行测量的传感器，其中的参数
例如是压力和/或温度。还可设置加速度计来作为测量装置。该测量装置34还包括适于
将检测到的测量结果转换为电信号的控制电路。 射频发送器装置36适于将含有测得参数的信息帧通过天线37发送给位于轮胎外部的接收器(图中未示出)，其中的接收器通常位于安装着该轮胎的车辆上。
微控制器33通常包括对传感器装置3的工作进行控制的CPU。在图2所示的优选实施方式中，微控制器33能借助于定时/启动电路38来控制开关35，由此来闭合通向测量装置34的电路，从而向测量装置供电，以执行对所监控特征参数进行测量的操作。此外，微控制器33能借助于定时/启动电路40触发向外部接收器传送信息帧的操作。另外，微控制器33对来自于电源31和测量装置34的信号进行收集，并通过分析电路39对这些信号进行处理，以便于从中提取出一些信息，并借助于射频发送器36将这些信息发送到轮胎外部。为便于本发明的描述，涉及第一定时/启动电路38、分析电路39、第二定时/启动电路40的词语"电路"不应被片面有限地理解为了执行相关的功能，电路38、39、40或者可以被按照硬件的形式来实现(借助于合适的电子设备)、或者按照软件的形式来实现(借助于合适的程序环节)、或者是软件与硬件的组合形式。 使开关35闭合的启动操作、以及启动发送器36的信息帧发送操作可按照预定的时间间隔执行。例如，第一定时/启动电路38可每隔两分钟驱动一次开关38，使其闭合，而第二定时/启动40可每隔七分钟就将收集到的数据传送给外界，这是因为与参数测量相比，射频发送操作通常要消耗更多的能量。 作为另一实例，开关38的闭合和/或对收集到数据的发送操作可在电压整备电路32中电容器的两端电压高于预定阈值电压时启动。第一和/或第二定时/启动电路38、40可按照任何常见的方式来实现，其或者是与微控制器33分来的硬件电路，或者是集成在微控制器33存储器中的固件目标。 图3a是根据本发明一种实施方式的电源31的剖面图。该电源31包括壳体311、柔性的压电元件313、以及与压电元件相连的荷载质量体312。图3b是沿着图3a中的A-A线对电源所作的剖面图。 参见图3a，柔性压电元件313被按照悬臂梁的形式布置在壳体内。换言之，柔性压电元件313的第一端315被固定到壳体311上，而其第二端316则与荷载质量体312相连。优选地是，柔性压电元件被制成平板形元件。作为备选方案，其可被制成棒条状元件。在优选的实施方式中，平板形的压电元件包括至少两个平板形的压电晶体，它们被平板形的导电板(例如金属板)分隔开(双压电晶片构造)。电极通常被布置在压电元件的外表面上。 电源31被联接到轮胎上，以使得柔性压电元件313的振荡方向与轮胎的纵向(或环周方向，在图1、3a、3b中标为"L")基本上相匹配。按照这样的方式，在轮胎滚动的过程中，柔性压电元件313和相连的荷载质量体312会受到纵向加速度的作用。为了能均匀地分布柔性压电元件313所承受的应力，优选地是将压电元件313的长边布置成基本上顺沿着轮胎的轴向(在图1、3a、3b中标为"F")，也就是说，顺沿着与轮胎转动轴线平行的方向。
柔性压电元件313、荷载质量体312、以及壳体311的几何尺寸被选择为能在荷载质量体312的外表面与壳体311的至少一个内壁之间留出空隙314，其也被称为"间隙"。间隙限定了柔性压电元件313所能允许的最大挠曲程度。为了限制电源31的尺寸，并将包括柔性压电元件和荷载质量体的整个结构的质心基本上移到柔性压电元件313的自由端处，优选地是如图3a所示那样将荷载质量体312制成U形。 在工作中，电源31受到由轮胎转动所产生的作用力/加速度的作用。离心加速度尤其高，但该加速度还与其它加速度分量混合起来，其中，其它的加速度分量来自于轮胎在滚动过程中与地面的相互作用，且其强度通常低于离心加速度分量(特别是在高速时)。尤其是，在任何的轮胎转动圈内，在轮胎纵长方向(即环周方向)上的加速度分量都被施加到轮胎上的一些部分处，这些部分是进入到轮胎与滚动表面之间接触区域(或接地斑区)的部分、以及离开接触区域的部分。图4表示了信号的一种示例性模态，该信号表示了在轮胎转动一圈的过程中、与电源31相连的轮胎部分所受到的纵向加速度。 参见图4，在整个轮胎转动圈的第一部分期间，与电源31相连的轮胎胎冠部分未与地面接触，此时的纵向加速度基本上为零(如果转动速度恒定的话)，但图4中可见到高频振荡的发生，存在此现象是由于与地面相互作用而向轮胎中的结构施加了振动。
在整个轮胎转圈的第二部分期间，与电源31相连的胎冠部分与地面接触，纵向加速度的幅值表现出两个明确可见的特征峰值，它们的极性相反，基本上对应着与电源31相连的轮胎部分进入到接地斑区/从接地斑区离开时的情形。这两个峰值的确切布局次序(第一为正峰值、第二为负峰值、或相反次序)取决于轮胎的转动方向。
由于电源31在轮胎中按照上文参照图3a、3b所描述的方式进行布置，所以，带有柔性压电元件313(和荷载质量体312)的结构会受到图4所述纵向加速度"脉冲"的作用。在实际状况中，与电源31相连的胎冠部分每次进入到接地斑区中和从接地斑区中退出时，带有柔性压电元件313(以及荷载质量体312)的结构就会受到加速度脉冲的作用(对应于图4所示的正峰值和负峰值)，使得结构发生振荡。在以恒定速度直线行驶的条件下，基本上没有任何其它纵向加速度分量的强度可与图4中所示的峰值相比，所以其不会干扰或妨碍结构的振荡，从而，在接地斑区之外的轮胎转圈其余部分内，结构基本上是自由地发生振荡。简言之，带有柔性压电元件313和荷载质量体312的结构的行为如同受迫振荡器，当与电源31相连的胎冠部分位于接地斑区之外时，其基本上能在轮胎的纵长方向上自由地振荡，而在该胎冠部分每次进入接地斑区和从接地斑区退出时，该结构都会受到脉冲力(极性相反)的作用。 需要指出的是这样的行为与按照另外形式对电源31进行布置所获得的行为完全不同，在另外的布置形式中，使得包含柔性压电元件313和荷载质量体312的结构的振荡方向与轮胎的径向方向一致，对于这种方式，实际上只有在与轮胎相连的轮胎部分经过接 地斑区(以高于一定阈值的转动速度)时，才会发生振荡，例如在上文提到的专利申请WO 2005/067073就表示了这样的布置方式。 由于图4所示纵向加速度峰值的强度低于径向方向上所能达到的幅值(在同样的 转动速度下)，所以，荷载质量体312受纵向加速度作用而被推离平衡位置的位移量小于离 心加速度作用下获得位移量，因而，包含柔性压电元件313和荷载质量体312的结构的总振 荡偏移范围也相应地变小。但是，由于在相连的轮胎部分处于接地斑区之外时、带有柔性压 电元件313和荷载质量体312的结构的行为方式基本上类同于自由振荡器，所以，在轮胎的 整个转圈内，柔性压电元件313可持续地变形，进而连续地发出电能。还可注意到在一定 的转速范围内，还可发生谐振现象_特别是由于存在着高阶谐波分量；在此情况下，受迫振 荡的幅值可能逐渐增大到间隙314所允许的最大数值，并产生出最多的电荷。
图5表示了一种示例性的、连接有荷载质量体312的柔性压电元件313的频响特 性。压电元件313的尺寸和材料被选择为能获得约为4800N/m的刚度k。荷载质量体312m 被选择为约等于0.6克。为了获得这样的频率响应，带有与荷载质量体相连的压电元件的 壳体被布置在由电子控制装置驱动的摇动器装置上，电子控制装置以OHz到2000Hz的频率 向摇动器施加脉冲激励力。摇动器的运动使得荷载质量体和压电元件发生振荡，进而产生 出电荷。图5代表了振荡结构的转换功能与激励力频率的关系。从图5可看出，由压电元 件和荷载质量体组成的结构的谐振峰值是在300Hz与600Hz之间，最大值出现在450Hz附 近。 图6和图7表示了联接到轮胎内胎衬上的上述电源的电压信号/时间关系。电 源是由双压电晶片式压电材料板(PZT)构成的，其宽度为4. 5mm，长度为llmm，总厚度为 0. 46mm，塑料壳体的宽度为7mm，长度为12mm，高度为6. 2mm，厚度为lmm。荷载质量体为0. 6 克，其被固定到压电板的自由端上。在壳体内壁与荷载质量体的外表面之间留出了 200ym 的总间隙(100iim+100iim)。 图6表示了当轮胎转动速度为15rad/s时该电源的电压信号/时间关系。从图中
可看到数个较强的电压振荡特征峰值，这些特征峰值对应着与电源相连的胎冠部分从接地
斑区下方经过的事实，且在整个时间间隔内，都叠加着振荡电压较低的连续族群信号。这些
振荡电压是由于压电材料板的真实振荡，当与电源相连的轮胎部分处于接地斑区之外、以
及当与电源相连的轮胎部分处于接地斑区中时，压电板都会真实地发生振荡。 图7表示了当轮胎转动速度为60rad/s时该电源的电压信号/时间关系。从图可
见，此时的行为基本上类同于图6所示的行为，较强的振荡特征峰值叠加到较弱的连续族
群振荡峰值上。但是，与图6所示的情况相比，输出电压的较强和较弱振荡峰值都达到了更
高的数值。 申请人:已经验证了 如上文所述那样，将如图3a、3b所制得的电源与轮胎的胎冠 部分连接起来能获得足够的电力，该电力足以驱动设置在轮胎内的、用于监控轮胎工作参 数的普通传感器装置。特别是，在所有的速度下都能产生出高质量的电量，这是因为柔性压 电元件存在着基本上连续的振荡运动。图8表示出了这样的事实，在图中表示出了由申请 人执行一系列试验所得到的三条曲线。图8中的三条曲线代表的是如下的情形100 i！ F的 电容器(通过二极管整流桥式电路)与上文参照图6、图7所述的示例性电源相连，此条件
11下，电容器中所存储电能与时间的关系。在电容器两端连接了 3.3MQ的负载电阻。电源被
布置在摇动器装置上，在该摇动器装置上施加了从以20km/h、40km/h、60km/h速度转动的
轮胎获得的实际加速度信号，从图可看出，旋转速度越高，所存储的电能越多。 申请人:还证明了该电源具有更高的可靠性。申请人相信，这一结果是源于如下的
事实柔性压电元件在轮胎纵向作用力驱动下的平均挠曲幅度是非常小的，在任何情况下，
该幅度都远小于在轮胎径向作用力驱动下的幅度(特别是在高速时)。 可能出现最大振荡的原因在于与电源相连的轮胎胎冠部分经过接地斑区的下方，
可通过对壳体内壁与荷载质量体外表面之间间隙的尺寸作适当的设计来限制该最大振荡。
因而，可显著降低压电材料上出现裂纹和破断的可能性。 有利地是，为了降低构成电源的振荡结构处于谐振模式的可能性，将电源各个部 件的尺寸设计为能使压电元件+荷载质量体结构的谐振频率高于150Hz，优选地是高于 200Hz，进一步优选地是高于300Hz。申请人相信这样的选择能进一步提高电源的可靠性， 这是因为在实际的任何速度状况下，该设计都能避免在轮胎转动的过程中压电元件出现强 烈的谐振振荡(至少对于第一阶的谐波分量而言)。 采用双压电晶片PZT压电板的、且能获得上述性能指标的电源可采用如下的示例 性优选设计范围 -PZT板的长度在7至lj 20mm之间； -PZT板的宽度在3到18mm之间；-双压电晶片板的总厚度在0. 15到1. 20mm之间；-荷载质量体在0. 05克到4克之间；-间隙在50到400 ii m之间。 特别是对于荷载质量体的规格，应当注意的是小规格的荷载质量体能增大压电 元件与荷载质量体结构的谐振频率。另外，小规格的荷载质量体能降低由于设置电源而对 轮胎转动造成的不平衡影响。另外，小规格的荷载质量体能降低电源壳体在振荡过程中其 内壁受到撞击而发生开裂和破断的发生率。但是，荷载质量体的规格太小就不能使压电 元件充分地弯曲，从而不能产生出足够的电量。对电源的规格参数进行设计的原则可被 进行选择荷载质量体的规格m应足以防止在转动过程中对轮胎造成显著的不平衡作用 (例如其质量小于4克)；压电元件与荷载质量体结构的谐振频率fr被进行选择(例如高 于150Hz)，然后再通过转换如下的现有关系式、根据其刚度系数推导出压电元件的尺寸规 格 申请人:还验证了 不仅仅是用于提供电能，由按照上文参照图3a、3b所述进行设 计的电源31发出的电信号还可被有利地用来获得某些轮胎工作参数-例如轮胎在车辆上 的安装位置(即右手侧或左手侧)、和/或接地斑区的长度、和/或轮胎受到的负载、和/或 在给定时间内轮胎转动的圈数。 为此目的，返回到图2，由电源31产生的电信号被馈送给微控制器33-具体而言 是馈送给分析电路39。该分析电路对电信号进行处理，目的在于提取出与特征峰值有关的 信息，其中的特征峰值是与联接着电源31的胎冠部分进入或退出接地斑区的事实相关的，
12也就是说，可从图4中清楚看出的最大、最小峰值被明显地再现在图6、图7的信号图形中。 可利用本领域技术人员公知的各种方法来检测出这些特征峰值，例如可通过将电信号与一 个或多个固定阈值或适应性阈值进行比较来检测出。 为了估计出接地斑区的长度，可对特征峰值上预定点之间的距离进行检测。 一般 情况下，这些预定点可分别对应着位于正峰值和负峰值上的最大值点和最小值点，或者对 应着与最大值点和最小值点具有预定距离的位置点。通过利用接地斑区的估计长度、以及 获知轮胎的充气压力，并利用负载、压力、接地斑区长度之间的已有关系式，还可推导出轮 胎所受的负载。属于本申请人的专利申请WO 05/042281 (其内容被结合到本申请中作为参 考)介绍了一种更为精确的负载确定方法，一旦轮胎与路面之间接地区域的长度被确定出 来之后，还可利用该方法来确定出负载。 另一个重要的参数也可通过对电源31所输出的电信号进行分析来得出，该参数 是带有电源31的轮胎在车辆上的安装位置。换言之，通过简单地分析由电源31产生的信 号，传感器3能"自动定位"其自身是被安装在车辆的右手侧、还是左手侧。为了提取这一 信息，可对上述特征峰值的信号次序进行检测。事实上，如前文参照图4所描述的那样，纵 向加速度峰值的正_负或负_正次序代表了进入接地斑区或退出接地斑区，这取决于轮胎 的相对转向(因而可被作为指示信息)。将车辆的外界作为参照系，右手侧轮胎是顺时针 转动，而左手侧轮胎是逆时针转动。由于电源31对纵向加速度是敏感的，基于对正负特征 峰值信号次序的检测，可确定出带有电源31的轮胎的顺时针或逆时针转动(即其在车辆 上的安装位置)，其中的特征峰值分别代表进入和退出接地斑区(假定电源31被按照相同 的预定方式安装在右手侧轮胎和左手侧轮胎上，例如，柔性压电元件的振荡端指向轮胎的 内侧胎壁)。例如，检测到如下的事实正峰值(通过提取最大信号值来推导出)先于负峰 值(通过提取最大信号值来推导出)，该事实对应着顺时针的转动方向。通过在处理装置 33(借助于分析电路39)中对电信号执行合适的处理而完成该检测操作。
为了计算出给定时间内所述轮胎执行的转圈数，可利用每个转圈内的其中一个特 征峰值作为参考，检测其在该时间内的次数。通过对选定特征峰值的出现次数进行计数，能 估计出轮胎的转圈数。
1权利要求
一种用于在轮胎内产生电能的方法，其包括步骤-提供一种振荡结构，该振荡结构包括壳体和与所述壳体相联接的压电元件，压电元件能在振荡方向上发生振荡；-将所述振荡结构联接到所述轮胎的胎冠部分上；-在滚动平面上转动所述轮胎，以促使所述压电元件发生振荡，由此使得所述压电元件在轮胎转动过程中发生变形；-存储由所述压电元件的所述变形产生出的电能；其中，将所述振荡结构联接到所述轮胎胎冠部分的操作使得所述振荡方向与轮胎的纵向方向基本上相匹配。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述压电元件被联接到所述壳体上，以使 得其第一端基本上被固定到壳体上，其第二端被固定到荷载质量体上。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于在所述壳体的至少一个内壁与所述荷载 质量体的外表面之间形成间隙。
4. 根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述轮胎的所述胎冠部分是轮胎 内表面的一部分。
5. 根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于将所述振荡结构联接到轮胎所述 胎冠部分上的所述操作使得所述压电元件的长边被布置得基本上顺沿着轮胎的轴向方向。
6. —种用于产生电能的系统。该系统包括 -轮胎；_与所述轮胎的胎冠部分相联接的振荡结构，该振荡结构包括壳体和联接到所述壳体 上的压电元件，压电元件能在振荡方向上振荡，由此在发生振荡时产生出电能； -适于存储所述电能的存储电路，其与所述振荡结构相联接；其中，所述振荡结构被联接到所述轮胎的所述胎冠部分，以使得所述振荡方向与轮胎 的纵向方向基本上匹配。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述压电元件被布置到所述壳体中，以使 得其第一端基本上被固定到壳体上，其第二端被固定到荷载质量体上。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述荷载质量体小于4克。
9. 根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于所述荷载质量体是U形的。
10. 根据权利要求7到9中任一所述的系统，其特征在于在所述壳体的至少一个内壁 与所述荷载质量体的外表面之间形成间隙。
11. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于所述间隙的总最大幅度是400 i！ m。
12. 根据前述权利要求中任一所述的系统，其特征在于所述轮胎的所述胎冠部分是轮胎内表面的一部分。
13. 根据前述权利要求中任一所述的系统，其特征在于所述振荡结构被联接到轮胎 所述胎冠部分上，以使得所述压电元件的长边被布置得基本上顺沿着轮胎的轴向方向。
14. 根据前述权利要求中任一所述的系统，其特征在于所述振荡结构具有高于150Hz的峰值谐振频率。
15. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于所述峰值谐振频率高于200Hz。
16. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述峰值谐振频率高于300Hz。
17. 根据前述权利要求中任一所述的系统，其特征在于所述压电元件是双压电晶片 型元件。
18. 根据前述权利要求中任一所述的系统，其特征在于所述压电元件是平板形元件。
19. 根据前述权利要求中任一所述的系统，其特征在于所述存储电路包括电容器。
20. —种用于对安装到车辆上的轮胎的至少一个工作参数进行监控的系统，该系统包括_按照权利要求6到19之一所述的、用于产生出电能的系统；-处理装置，其适于对由压电元件所产生的电信号进行处理，以便于确定所述至少一个 轮胎工作参数。
21. 根据权利要求20所述的系统，其特征在于所述处理装置适于对所述电信号进行 处理，以便于提取出有关所述电信号特征峰值的信息，所述特征峰值与如下因素有关联接 着振荡结构的胎冠部分进入到轮胎与滚动路面之间的接地区域中；与振荡结构相联接的胎 冠部分离开所述接地区域。
22. 根据权利要求20或21所述的系统，其特征在于与所述特征峰值相关的所述信息 包括所述特征峰值预定点之间的距离。
23. 根据权利要求21或22所述的系统，其特征在于与所述特征峰值相关的所述信息 包括所述特征峰值的信号次序。
24. 根据权利要求23所述的系统，其特征在于所述至少一个轮胎工作参数包括轮胎 在车辆上的安装位置，且所述处理装置适于基于所述信号次序确定出所述安装位置。
25. 根据权利要求21到24任一所述的系统，其特征在于所述至少一个轮胎工作参数 包括所述轮胎在给定时间内滚动过的转动圈数，且所述处理装置适于通过对所述给定时间 内其中一个所述特征峰值的出现次数进行计数来确定出所述的轮胎转动圈数。
26. 根据权利要求20到25任一所述的系统，其特征在于还包括对轮胎至少一个另外 的工作参数进行测量的测量装置，该测量装置与用于产生电能的所述系统、以及所述处理 装置联接。
27. 根据权利要求26所述的系统，其特征在于所述测量装置包括压力传感器。
28. 根据权利要求27或22所述的系统，其特征在于所述至少一个轮胎工作参数包括 轮胎所受的负载，所述处理装置适于基于所述特征峰值上所述预定点之间的距离、以及由 所述压力传感器测得的压力确定出所述负载。
29. 根据权利要求26到28任一所述的系统，其特征在于所述测量装置包括温度传感器。
30. 根据权利要求26到29任一所述的系统，其特征在于所述测量装置包括加速度传 感器。
31. 根据权利要求20到30任一所述的系统，其特征在于还包括与用于产生电能的所 述系统及所述处理装置相联接的发送器装置，该发送器装置适于将所述至少一个轮胎工作 参数或所述至少一个另外的工作参数发送给布置在车辆上的接收装置。
全文摘要
一种轮胎，其包括与电能存储装置(例如电容器)相连的柔性压电元件。柔性压电元件被按照悬臂梁的形式安装到壳体中，以使得其第一端被固定到壳体上。荷载质量体与柔性压电元件的第二端相连。在壳体的内壁与荷载质量体的外表面之间形成了小的间隙，以便于允许压电元件产生有限的挠曲。带有压电元件的壳体被安装在轮胎的胎冠部分中，优选地是位于轮胎的内表面上。当轮胎转动时，压电元件在纵向加速度的作用下发生挠曲。本发明能产生出足够的电能来驱动位于轮胎内的电子器件，并提高了压电元件的耐用性。
文档编号H01L41/113GK101754873SQ200780053819
公开日2010年6月23日 申请日期2007年7月18日 优先权日2007年7月18日
发明者F·曼科苏, M·布鲁萨罗斯科 申请人:倍耐力轮胎股份公司