专利名称：具有多级存储器的压电源的能量转换的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种将压电结构所产生的能量转换成适合于为集成轮胎电子元件提供电力的形式的系统和方法，其中该压电结构受到常规轮胎旋转的机械能的作用。
背景技术：
压电技术用于将与轮胎挠曲相连的机械应变转换成电荷，电荷随后被调节和存储在一个或多个储能装置。这样被存储的能量得到充分累积后就能为电子系统供电，该电子系统包括识别不同物理轮胎参数的组件，以及可以传送轮胎标识和其它数据的射频(RF)传输装置。将电子装置与充气轮胎结构结合具有许多实质优点。轮胎电子元件可以包括传感器和用于获取关于不同的轮胎物理参数和制造信息的信息的其它组件，其中所述的物理参数如温度、压力、轮胎转数、车速、转速值、速度温度、和其它物理与运转参数，而制造信息如制造商名称、制造地、生产日期等。这样的性能信息有益于轮胎监测和警告系统，甚至可以与反馈系统结合潜在地应用于调节适当的轮胎压力水平。例如，当轮胎的直径将随着膨胀压力轻微变化时，同一车辆的不同转速表示未膨胀或者过膨胀。
美国专利NO.5,749,984(弗雷等)公开了一种轮胎监测系统和方法，该系统和方法能够确定如轮胎偏转、轮胎速度和轮胎转数这样的信息。在美国专利NO.4,510,484(斯奈德)中可以找到轮胎电子系统的另一例子，此专利涉及一种非正常轮胎条件警告系统。美国专利NO.4,862,486(温等)也涉及轮胎电子元件，且更具体地公开了一种用于与汽车及卡车轮胎相连的示例性的转数计数器。
然而，由与轮胎结构集成的电子系统所提供的另一潜在能力对应于商业车辆应用的资产跟踪和性能特性。商业车队，航空工艺和重型推土机/采矿车辆都是可行的行业，其可以应用轮胎电子系统的优点和相关信息传输。轮胎传感器可以确定车辆中每个轮胎已经驶过的距离，所以可能帮助维持这种商业系统的计划。车辆的位置和性能可以为如有关陆地挖掘设备那样的更加昂贵的应用进行优化。车队的全部车辆可能使用RF标签传输来跟踪，在美国专利NO.5,457,447(Ghaem等)公开了它的示例性的方面。
这样被集成的轮胎电子系统通常由多种技术和不同的发电系统供电。由轮胎移动产生能量的机械特性的例子公开于美国专利NO.4,061,200(汤普森)和NO.3,760,351(托马斯)中。这些例子提供了大容量复杂系统，其中这些系统一般不是现代轮胎应用的优选。然而，为轮胎电子系统供电的另一选择公开于美国专利NO.4,510,484(斯奈德)中，该专利涉及一种关于沿轮胎辐射中心线对称配置的压电簧片(piezoelectroc reed)电源。
为轮胎电子系统供电的另一解决方案对应于非可再充电电池的应用，该电池固有地给轮胎的使用者带来了不方便，因为适当的电子系统运转依赖于周期的电池充电。常规的电池也经常包含重金属，这些重金属破坏环境，且在大量应用时存在处理问题。进一步地，当电池供电用于功能复杂的电子应用时，趋向于很快耗尽电池的能量存储。电池存储损耗在将信息较远距离传送(如从卡车车轮位置到卡车座舱中的接收器)的电子系统中特别普遍。甚至当电池被用于将信息从车轮位置传送到更近的接收器位置的电子系统中，随后信息通常通过硬线(hard-wire)传输介质从RF接收器位置传送到车辆驾驶室，所以要求安装附加的而且通常昂贵的通信硬件在车辆中。
为轮胎监测系统获得能量的另一已知方法涉及由靠近轮胎并集成了电子特性的询问天线来提取RF波束能量。提取由天线辐射的能量以为电子元件供电，该电子元件通常必须为超低功率电子元件，其被限制为微瓦级。因为限制的传输范围，应用于与波束供电的电子元件连接的询问天线必须通常放置于每个车轮较邻近的位置(在大约2英尺内)。这个通常要求每个车辆有多个询问天线，从而增加了潜在的设备成本。每个天线也易受影响而被道路危险损害，所以由于许多原因它不是为某些轮胎的电子应用供电的最可期望的解决方案。
依据本发明，可理解很久以来压电材料的某些公认的优点。然而，这样的技术依然在改进，所以潜在提供了使用具有改良的运转能量的压电材料的应用。美国专利NO.5,869,189(哈古德，尤等)和NO.6,048,622(哈古德，尤等)提供了压电技术中的较新改良的例子，这些例子指向结构控制的组合。目前公开的技术包括压电技术的进一步改进，比如压电发电装置可以与功率转换安排合并，且它们可以为了能量收集的目的与轮胎或车轮组件集成在一起所有前述的美国专利的公开内容在这里与该申请完全结合作为参考。虽然不同的轮胎电子系统以及功率产生和转换系统已经被开发出来，依据本发明技术，通常不再出现包含了所有如下所述的期望特性的设计。
发明内容
由于在现有技术中所遇的和本发明所述的公认的特性，一种为集成在轮胎结构中的电子系统供电的改良的系统和方法已经被研发出来。压电技术被用于将与轮胎挠曲相关的机械应变转换为随后被收集的电荷，并被调节和存储在一个或多个储能装置中。然后，这种存储的能量在充分累积之后能为电子系统供电，该电子系统包括识别不同物理轮胎参数和射频(RF)传输装置的组件。
依据公开技术更具体的方面，本发明的一个方面是提供一种具有集成的自供电电子组件的充气轮胎。这样的电子组件是由集成压电结构收集的能量进行自供电。一个示例性的电子应用包括一个轮胎监测系统，该系统被设计为测量和传送关于如压力和温度这样的一个或多个选定的轮胎条件的信息，以及如轮胎转数或一般轮胎识别变量这样的其它信息。相关技术的另一方面涉及产生能量以为这种电子装置供电的方法。
本发明的轮胎电子系统和特别的发电装置的不同特性和方面提供了多种优点。在此公开的技术是不依赖电池更换的自供电轮胎电子系统。虽然电池和电池运行装置仍可与本发明结合，但关于由电池单独供电的轮胎电子元件的许多组合可依据在此公开的技术被排除。
本发明的另一优点是提供的轮胎监测系统减少了相对于常规轮胎监测系统所需的信号硬件的数量。通过提供一自供电的轮胎监测系统，不需要具有附加硬件连接的提取天线或多接收器位置。这种轮胎监测系统的组件可以集成在每个单独的给定车辆的轮胎结构中，以便单个接收器(通常位于车辆驾驶室中)能够获得由每个轮胎的集成电子元件传送的信息。
但是，本发明的另一优点是，对于能在轮胎和车轮组件结构中使用的电子设备的型号及数量的限制更少。由常规方法而不是依据在此公开的压电技术供电的轮胎电子元件通常被限定为超低功率装置。依据在此公开的技术的装置不必要服从于这样极端的功率限制。这个优点还带来了轮胎电子元件的更多功能，因为更多组件和/或更高水平的设备被潜在应用。
本发明的另一优点还在于，在此公开的用于发电和使用电能的系统和方法可以依据多种现有应用被使用。测量能力、监测和警告系统、车辆反馈系统、和资产跟踪能力等应用对于如商业车队、飞机、和挖掘/重型推土机这样的设备而言是可能的。
在本发明的一示例性的实施例中，具有集成的自供电电子组件的充气轮胎组件包括轮胎结构、活动压电结构、电能收集和调节模块、和电子附件。更优选地，该轮胎结构特征在于胎冠具有与地面接触的外胎面部分、将轮胎固定在轮辋上的胎圈部分、在每个胎圈部分和胎冠之间延伸的外侧壁部分以及沿内胎冠和侧壁表面的内衬垫。电能收集和调节模块与压电结构耦合以接收压电结构内产生的电荷，并产生调节电压输出。然后，该调节电压输出为电子附件中的选定组件供电。该压电结构和所附的电能收集和调节模块可与轮胎的内胎冠表面粘结或者该压电结构可被直接固定在轮胎结构中。
本发明的另一示例性的实施例包括一轮胎监测系统，其与充气轮胎结构集成，该充气轮胎结构被设计为测量和传送对应了一个或多个预选择轮胎条件的信息。更具体地，这样的轮胎监测系统可包括一活动压电结构、一电能收集和调节模块、多个传感器、一微控制器、和一RF发射器。该压电结构可嵌入一环氧矩阵，且结合至少两个电极，这个实施例优选地或者与充气轮胎结构的内部粘结，或者装配和固定在轮胎结构中。电能收集和调节模块与选定的电极电耦合，以便该模块接收压电结构中产生的电流，并将电流存储在储能装置中直到它作为调节电压输出被提供。多个传感器由调节电压输出供电，且确定关于预选择轮胎条件的信息。该RF发射器与微控制器电连接，接收微控制器中的信息以调制载波信号，并将载波信号传送给远程位置的接收器。
在此公开的技术的另一示例性实施例还进一步相对于从集成在轮胎和车轮组件中的压电材料生成、收集和调节电能的方法。该方法的第一步为结合在轮胎和车轮组件的选定内部位置提供一活动压电结构。生成电能的下一步是使轮胎和车轮组件经过机械应变，一般地如轮胎和车轮组件沿地面滚动而导致车轮组件的部分挠曲，在所提供的压电结构中产生电流。该产生的电流随后被收集，调节并存储在一个或多个储能装置中，以便调节电压源为与轮胎和车轮组件相连的电子装置供电。
然而，在此公开的技术的另一示例性实施例还进一步对应于一种从应用多级方法的压电材料中收集和调节电能的方法和装置。依据本发明的一个方面，从压电材料产生的电荷能量可以被存储在分开的存储元件中，以提供低电压能量的早期可用性和高功率能量的轻微延迟可用性。
通过这里的详细描述，本发明的附加方法和优点被提出，或呈现，给本领域的普通技术人员。同样地，这可以被进一步理解，这里对本说明的修改和改变，参考和讨论的特性及步骤都可以应用于不同的实施例中，且在不脱离本发明的精神和范围下应用本发明。改变可以包括，但不限于，那些图示的、参考的、或讨论的等效装置、特性或步骤的替换，和不同部分、特性、步骤等的功能、操作或位置的反转。
进一步地，可以理解，本发明的不同的实施例，和不同优选实施例可以包括在此公开的特性、步骤或元件的不同的组合或结构，或它们的等效(包括没有清楚显示于附图或附图的详细说明中的特性、部分、步骤或结构的组合)。本发明的附加实施例，在此总结部分不必要表述，可包括和结合了参考以上总结目标的特性、组件或步骤的发明的不同组合。在阅读了说明书剩余部分的内容后，本领域技术人员可以更好地理解这些实施例的特性和方面。
图1是本发明的电能产生，收集和调节安排的示例性实施例的图解方块图；图2示出了根据本发明的一个方面的两级电能收集安排的更详细的示意图；图3示出了根据本发明的电能产生，收集和调节安排的示例性实施例的示意图；图4示出了本发明的电能产生，收集和调节安排的另一示例性实施例的示意图；图5示出了根据本发明具有集成的自供电电子组件的一个示例性充气轮胎结构的一般横截面视图；图6提供了根据在此公开的技术的一个示例性的轮胎电子系统的方块图；以及图7提供了已知的电能收集和调节安排的代表的示意图。
本说明书和附图的参考标志的重复使用，意在描述本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施例方式
如本发明的发明内容部分所述，本发明具体涉及一种改良的系统和方法，该系统和方法为装配在轮胎结构之上或集成在其中的电子系统供电。一发电装置应用压电技术将与轮胎挠曲相连的机械应变转换为电流，其后该电流被调节和存储在一个或多个储能装置中。这样存储的能量得到充分累积之后就能为电子系统供电，该电子系统的例子包括标识不同轮胎物理参数的组件，和射频(RF)传输装置。
依据在此公开的技术的一发电装置通常包括两个示例性的组件，一个压电发电结构和一个电能收集和调节模块。参考共同未决的美国申请NO.10/143,535的图2描述已知示例性的压电结构的各个方面，其中该美国申请NO.10/143,535是在2002年5月10日提交，并被转让给本申请的受让人，在此并入作为参考。在相同的未决的申请中公开了一种示例性的电能调节模块(如未决的申请的图3所示)，该功率调节模块与本申请的图7所示的公知的发电和电能调节电路相似。应当理解，所举的例子都只是示例性的，并且任何能转换轮胎挠曲的应变的压电结构都可以被使用。
特别参考图7，示出了一种公知的转换电路，其中的压电元件60与全波桥式整流器耦合，以便基于压电元件60的挠曲通过总线70，80提供直流(DC)电压。压电元件60可以任何适当的方式与轮胎结构粘附或者嵌入其中，这样压电元件被来自主轮胎的移动或转动的机械挠曲结果作用。该压电元件60的机械挠曲产生一个对电容器40的相对高电压和低电流的充电，其中电容器是一个具有高电容的高电压装置。随着该压电元件60的机械挠曲的继续，电容器40累积电荷直到稳压二极管120导通，从而允许脉冲宽度调制的闭环降压转换器100打开，排干电容器40中存储的部分高电压、低电流能量，将该能量转换成低电压、高电流能量，给存储电容器50充电，并将转换的能量提供给外部装置。电容器50可以是具有较小容量的低电压装置。由于当电容器40的输入电压到达一个预确定的水平时，从高电压、低电流能量到低电压、高电流能量的转换是自动生成的，因而这种类型的操作可以称为一种整体转换(bulk conversion)系统。
可以理解，这样的整体转换系统在需要能量时可能产生基于内在的提供电能的延迟带来的能量供应问题。例如，假设主轮胎事实上在转动，或者至少在需要能量时在为压电元件60提供挠曲机械能量，然而，可能存在一种从需要能量的时刻到转换器实际可以将能量转换成一种适于外部装置使用的适当形式的时刻的延迟。然后，还存在一种可能性，即轮胎不能立即提供任何机械能量给压电元件或一段时间内未提供这样的能量，以致没有多少存储在电容器40中的能量被转换用于外部装置。这样条件不仅仅是产生基于缺少可转换存储能量的转换延迟，还需要进一步的延迟直到轮胎重新开始移动。
本发明已被研发出以响应公知的电能产生、收集和调节安排中的不足。参考图1，本发明以方块图的形式描述、说明了收集和调节由压电带产生的电能的新方法的基本操作，其中该压电带装配在如轮胎这样的主载体中。此时，应当注意，虽然本讨论开始指向车辆和轮胎环境，但应当理解的是本发明可与任何能将机械应变应用于作为机械装置的压电带以产生电力的装置结合，其中该电力可被收集和调节以为包含的电子装置提供运转电能。例如，本发明可被应用于地球物理传感器，那里运送主装置的动作，以及来自如地颤动这样的振动感应事件的实际振动结果，将产生被用于操作传感器发电的振动。其它应用可涉及使用本发明提供的自供电传感器，其中传感器可被用于监测振动和其它与任何描述的机器的运转相关的条件。
特别参考图1，本发明包括压电元件60，其中该压电元件60被装配在轮胎结构上或者装配在其中，并且被配置成以基本相同的方式通过整流器结构为电容器45充电，如图7的公知安排中所示的压电元件60为电容器40充电。然而，在本发明中，电容器45为一个具有较小容量的高电压电容器，而不是具有较高容量的高电压电容器40。电压探测器和控制器110与电容器45耦合，且监测电容器45两端的电压。在电压达到阈值水平时，电压探测器和控制器110产生一个控制信号，该信号启动单循环降压转换器200。单循环转换的启动只将能量的一小部分从电容器45传送到电容器55，以保证电容器45保持在一个接近于最优功率输出水平的电压范围内工作。在本发明中，电容器55可以是具有较大电容的低电压电解、陶瓷、或其它类型的电容器，当其通过该单循环降压转换器的多次操作被充电时，作为在此公开的第一级高储能装置执行能量调节安排的功能。
依据本发明描述的一般操作可称作为“分级转换”系统，对比前述的整体转换系统。依据本发明，当电荷累积时转换循环开始，即，成为“可用”，从由压电带60挠曲产生的电荷超过电容器的阈值。这种可用的高电压到低电压、高电流形式的转换，即时允许任何负载装置从本发明的能量调节安排中汲取运转电能，从而消除与已知的系统相关的可能的延迟。本分级转换方法的附加优点存在于以下事实中，即相对于已知的脉冲宽度调制型转换器而言，结果是转换器更简单，更便宜，结构更小，重量更轻。被启动的单循环转换的阈值可以固定在一个特定的电压值，或者根据需要而改变，比如在改变轮胎负载这样的不同运转条件下保持最大功率输出。
电压探测器和控制器110可以是任何形式，现结合图3和图4说明它的两个示例性实施例。如以下更加完整的描述，图3和图4所述的实施例表示简单控制机制的例子，然而一个微控制器或相似装置可选地被用于为转换器提供更智能的控制，这里将参考图2做一般性的讨论。
参考图2，这里示出了在图1中所示的转换系统的替代安排的示意图。在这个可选实施例中，压电元件60以如图1的实施例相同的方式应用于在主轮胎移动的同时基于压电元件60的挠曲而提供电荷。由压电元件60产生的电荷通过一个全波桥式整流器62，可选的高电压到低电压转换器200’，可选的到电容器55’的绝缘二极管64和到电容器45’的绝缘二极管64’。可选的二极管64”可用作微控制器110’的运行电能的可选路径，这些将在此后作更完整的描述。电容器45’与图1的电容器45相似，其中它是与电容器55’相比具有较小容量的电容器，而电容器55’与图1的电容器55相似，它是具有较大容量的电容器。高电压到低电压转换器200’可以依赖，也可以不依赖用于本系统的不同的控制和功率消耗装置的运转电压需要。因此，电容器45’和55’的运转电压说明不同于图1的电容器45和55的说明，该说明依赖于是否提供可选的高电压到低电压转换器200’。
不考虑该系统的不同组件的运转电压需要和是否提供可选的高电压到低电压转换器200’，如图1的电容器45，其选定具有较小电容值，以致电容器可以快速充电以使微控制器110’快速打开，或在其它应用中，其被选定为其它任何低功率需求装置。这样，微控制器110’能够立即开始那些要求较小功率的任务，例如读取不同的传感器，计算转数等。电容器55’，由于具有较大电容值，充电较慢，且通过电子开关66受微控制器110’的电压调节控制。在充电较慢的电容器55’充电时，其两端的电压可通过连接线69如一类“燃料计量器”般由微控制器110’监测。连接线69即可用作感应线也可用作电能供给线，这些将在此后进一步讨论。
当电容器55’上的累积电荷形式的“燃料”变得可用，微控制器110’可以操作电子开关67，68来选择性地给高功率消耗装置57，58和/或其它高功率消耗功能提供累积的电荷。功率消耗装置57，58可以包括如附加传感器、RF或其它类型的传输装置、存储装置、或其它任何需要较高运转功率的装置的元件。其它高功率消耗功能可以是由标准低功率需求的微控制器执行的高功率需求功能。例如，当高功率变得可用时，那些由微控制器实现的功能将可能从具有高电容值的电容器55’提供补充能量给微控制器，这个过程通过，例如，连接线69或另一专用能量供给线实现。进一步地，也可能提供补充能量以在这样的时段中支撑低功率需求的微控制器的长时间运转，在该时段中低电容电容器45’在延伸的空闲阶段耗尽它自己的电荷，所谓的空闲阶段，如车辆处于静止状态。这样的补充能量可以通过连接线69或可选二极管64”提供。可以严格地理解，虽然只有两个功率消耗装置被示出，但是任意多的这样的装置，对应的由系列连接的微控制器控制的电子开关，和标准低功率需求装置的高功率需求功能仍可以被提出，如那些组合的特定应用所需。
依据本发明，当装配在轮胎上或其中的一个电子装置需要运转能量时，低功率能量几乎立即可用。该低电压储能装置可以是多个装置或多级，包括，但不限于前述的电容器45，45’，55和55’。该存储装置可以，例如，是一个或多个电容器，超级电容器，和不同类型的可再充电装置，例如电池，因此允许为电子装置的延伸运行的快速供电和长时储能，甚至当该轮胎被制动或是很慢地转动时。此外，提出了多级存储装置的不同组合。例如，一第一多级存储装置可提供多个较高的电压源，由于使用了小电容值存储装置，该第一多级存储装置很快可用，并且一第二高功率存储装置，通过更小电容值的存储装置的控制电荷转移变得可用。随附的此第一多级存储装置可以是第二，甚至是第三或更多这样的装置，这些装置可选地包括一高电压到低电压转换器，以便在两个这样的多级存储装置(或三个及更多)之间，容纳多个电压水平和供电容量。
参考图3，示出了本发明的电能收集和调节安排的示例性实施例，该技术使用了由稳压二极管120确定的阈值电压，一个简易的电压探测器130来控制一传统的降压调节器，和一个如电容器55的单级主能量存储装置。当稳压二极管120是33伏的装置时，电压探测器130可以是，例如S-80825型，2.5伏的输出电压探测器。因为由该压电带60提供的平均电流非常低，该电压探测器130的输出是固有的单稳态，并且每次当电压阈值超出时，它如弛张振荡器一般产生单输出脉冲。值得注意的是，轮胎的单转数可以导致不止一个转换循环，而可产生一些转换循环，若每个转换循环由电容器45传送到电容器55的能量低于轮胎一个转数中由压电带60传送的能量。不同地，若在轮胎一个转数中由压电带60传送的能量低于单个转换循环中传送的能量，则平均下来每个转数的转换循环要低于1。晶体管310，320和稳压二极管340与所示的未编号的相关电阻器一同对应一个选通低漏分路调节器。然而，任何其它已知的对应调节安排可用于替代在此所示的选通调节器，其显见于相关技术的原始技术中。这样的调节器可用于保持转换器的输出电压，该电压处在适用于任何由本发明的功率调节电路激励的电子装置的前述值。在一个示例性实施例中，该电压调节器可保持电容器55两端的电压在一个选定值，该选定值在大约3.0伏到大约5.0伏的范围内。如本领域技术人员所知，晶体管210和220，感应器230，二极管240和其它被编号的相关部件组成前述传统的降压转换器，以提供从电容器45到输出电容器55的电荷转移。
参考图4，示出了本发明的电能收集和调节电路的另一示例性实施例。图4所示的示例性实施例在两个方面与图3的实施例不同。第一，图4中未示出分路调节器。这样的省略并不表示这个调节器应该被省略，而是指该调节器被省略只是为了简化。第二，稳压二极管120和电压探测器130的位置被调换了。除了这些改变外，电阻器140，150和稳压二极管160被加入以帮助电压探测器和控制器电路的暂态抑制控制。图4中示出的该电能收集和调节实施例以与图3所示的实施例基本相同的方式操作。即，当电容器45两端的电压建立了由稳压二极管120和电压探测器130的联合值确定的水平，在电压探测器的输出终端产生一个脉冲，然后该电压探测器允许由晶体管210和220，感应器230，二极管240和其它未编号的相关组件组成的传统的降压转换器将电荷从电容器45传送到输出电容器55。随后，该电能收集和调节模块的输出可优选地用于为轮胎或车轮组件中的电子系统供电。在图6中示出了包括传感器、微控制器、和RF发射器的轮胎电子系统的一个例子，将在之后更完整地描述。
现在将详细参考为集成在轮胎或车轮组件中的电子系统发电的本发明系统和方法的优选实施例。现参考附图，图5提出了一个依据本发明的具有集成的自供电电子组件12(更特别如图6所示)的示例性充气轮胎组件10的一般横截面视图。特别应该理解，这里所示的示例性轮胎横截面视图可被通常认为是常规充气轮胎，本发明不限于与这样的轮胎相连，而也是与所谓的转动一平(run-flat)轮胎相连，该转动一平轮胎与这里所示的轮胎的横截面视图由少许不同。
一个发电装置60和电能收集和调节电路12优选地与电子组件28、29、30、32、34、36、38接合，这些电子组件又与轮胎结构16相连，以此电子组件在轮胎组件10内自供电。如图6所示，电子组件28和29图解性地分别示出了温度和压力传感器，其中组件30、32和34分别表示为传感器X、Y和Z，传感器X、Y和Z可为任何期望的感应元件，或，也可以是以相似于传感器的方式作用的信息存储装置，在传感器中，相对于有关轮胎的数据以相似的方式通过微处理器36和RF发射器38传送给外部接收装置(未示出)，在该方式中，温度和压力数据被传送给传感器28和29。作为一个非限制例，“传感器”30、32和34可为附加的物理环境响应装置，例如，可与传感器28和29分开放置的附加温度和压力感应装置，车速传感器，轮胎旋转传感器，轮胎偏转传感器，或其它物理或操作型传感器，“传感器”30、32和34可为包含了信息的信息存储装置，该信息为制造商、生产日、产品信息和其它可与轮胎或其组合相连的数据。应该理解，除了本说明书中公开的特定技术，依据在此公开的技术的其它电子装置可与本发明发电技术应用。美国专利NO.5,749,984公开了轮胎监测系统的其它方面，该轮胎监测系统可用于本发明，且在此并入作为参考。轮胎电子系统与全球定位系统(GPS)耦合，以确定车轮的精确位置。压电发电，电能收集和调节安排可选地用于激励车轮组件中的灯组件或反馈系统。依据本公开技术的方面可自供电的电子应用的数量是很大的，且不应限制在本发明中。
本发明发电，功率和调节装置的能力提供了大量的优点，这些优点优于在轮胎组件中提供功率的常规技术。天线波束能量提取技术，如前所述，不再是一个对轮胎电子元件供电的限制选择。同样地，许多类型的轮胎电子元件的功能能量得到提升。使用电池供电的选择不再重要，因此避免了昂贵的和麻烦的电池替换。虽然本公开的技术提出了可去除天线波束供电和电池供电的装置，但是应该理解，发电装置可以使用压电技术和/或电池和/或天线波束提取的多种组合来为车轮组件中的不同选定电子组件供电。
如图5所示，一种典型的轮胎结构，其特征在于支撑外部胎面部分18的胎冠15和延伸至胎圈部分22的侧壁20。侧壁20一般在部件线17和19间延伸，且胎冠15一般在两根部件线19间延伸。轮胎胎圈22通常给提供以便轮胎结构16可以有效地固定在车轮组件的轮辋上。一个不透气材料的内衬垫形成了轮胎的内表面，该内衬垫包括内胎冠表面24和内侧壁表面26。胎体23在跨过侧壁部分20的胎圈22与胎冠15间延伸，并且在膨胀压力下确定了轮胎的形状，和为牵引和操纵传送作用力。带式附件21位于沿胎冠15的轮胎结构16内。
发电，电能收集和调节装置14，如图5的示例性轮胎组件的实施例所示，可装配于轮胎结构16的内胎冠表面24。这个位置通常在外部胎面部分18沿地面移动且导致轮胎结构16挠曲时，启动所述装置14内的压电元件。当轮胎组件10沿表面移动时，与通常的机械振动耦合的该轮胎挠曲部分使发电装置14中的压电结构产生电流，其后该电流被调节和存储在储能装置中，以为轮胎电子元件12供电。虽然该内胎冠表面24对于装配发电装置14而言是一个合理的位置，但是应当理解，装置14也被装配在如内侧壁表面26的位置上。这样的位置在装置14中的压电元件上没有多少应变，却依然为某些电子应用提供了足够的发电。进一步地，装置14可以装配和固定在轮胎结构16中；例如，在胎体23和沿表面24和/或26的内衬垫之间。依据不同的装置14的可能位置，应该理解，术语“集成”通常包含了所有可能的位置，包括装配在轮胎结构上或其中。
压电元件发电可以包括不同的如前述共同未决的申请中所述的压电材料，其申请在此并入作为参考，并参考作为与压电元件相连的特定详细内容。
虽然本发明已经通过特定的实施例进行了描述，但是应当理解，本领域技术人员，在理解了上述内容的基础上，很容易得出这些实施例的变化、改变和等价物。因此，本公开的范围只作为实施例，而不作为对其的限定，并且本发明公开的内容不排除对于本领域普通技术人员而言很容易得出的对本发明的修饰、改变和/或补充。
权利要求
1.一种具有集成的自供电电子组件的压电轮胎组件，所述轮胎组件包括一轮胎结构，其特征在于胎冠具有与地面接触的外胎面部分，胎圈部分将所述轮胎固定在轮辋上，外侧壁部分在每个胎圈部分与胎冠，以及内胎冠与侧壁表面之间延伸；一压电结构，其与所述轮胎结构的选择部分接合，以便所述压电结构随着所述轮胎结构的挠曲，同时产生电能；一电能收集和调节模块，该模块与所述压电结构电耦合以接收在压电机构中产生的电能，并将多个输出电压提供给所述轮胎结构的挠曲部分；和一电子附件，其与所述电能收集和调节模块连接，从而使所述电子附件的选定功能由选定的多个输出电压供电。
2.根据权利要求1的压电轮胎组件，其特征在于所述电能收集和调节模块包括电压整流器和至少两个储能装置，其中电能收所述电压整流器整流由所述压电结构产生的电能，而所述至少两个储能装置存储整流过的电能。
3.根据权利要求2的压电轮胎组件，其特征在于所述电压整流器是全桥式式整流器，且所述至少两个储能装置包括电容器。
4.根据权利要求2的压电轮胎组件，其特征在于所述至少两个储能装置包括一第一存储装置和一第二存储装置，其中该第一存储装置接收由电压整流器整流过的电流，且该储能装置还包括一个控制器，用于控制从整流器到第二存储装置的能量的转移。
5.根据权利要求4的压电轮胎组件，其特征在于所述控制器是微控制器。
6.根据权利要求4的压电轮胎组件，其特征在于所述第一存储装置和所述第二存储装置是电容器，且第一存储装置的电容值小于第二存储装置的电容值。
7.根据权利要求4的压电轮胎组件，其特征在于该第一存储装置的工作电压比该第二存储装置的工作电压高。
8.一种与压电轮胎结构接合的轮胎监测系统，被设计为测量和传送与预选定轮胎条件有关的信息，所述轮胎监测系统包括一压电结构；一电能收集和调节模块，该模块与所述压电结构电耦合以接收在压电机构中产生的电荷，将电荷存储在功率调节模块中，并产生多个输出电压；至少一个传感器，其确定关于至少一个预选定轮胎条件的信息；一微控制器，其与所述电能收集和调节模块连接，也与所述至少一个传感器连接以处理由所述的至少一个传感器接收到的信息，并产生表示至少一个预选定轮胎条件的选择信息；和一RF发射机，其与所述微控制器电连接以接收来自所述微控制器的信息，在载波信号上调制选择信息，并传送选择信息。
9.根据权利要求8的轮胎监测系统，其特征在于所述功率调节模块包括将所述压电结构中产生的电能进行整流的电压整流器、存储电能的多个储能装置和稳压器。
10.根据权利要求9的轮胎监测系统，其特征在于所述电压整流器是全桥式整流器，且所述存储装置包括多个电容器。
11.根据权利要求10的轮胎监测系统，其特征在于所述稳压器保持输出电压在一个选定水平(从大约3伏到大约5伏)。
12.根据权利要求10的轮胎监测系统，其特征在于从提供的多个传感器中选择一些传感器，以提供有关充气轮胎结构内的温度和压力的信息。
13.根据权利要求8的轮胎监测系统，其特征在于由所述微控制器产生的该选择信息表示了该轮胎结构的选定温度和压力、该轮胎结构所转过的轮胎转数和轮胎识别标签。
14.一种由接合在车轮组件中的压电材料产生的发电方法，所述方法包括以下步骤提供压电结构，其中所述压电结构沿车轮组件内部的选定位置设置；使车轮组件经过机械应变，产生如车轮组件沿表面滚动而导致车轮组件的部分挠曲，并在所提供的压电结构中产生电流；调节在压电结构中产生的电流；在多个存储装置中存储调节后的电流，以便电压源立刻为与车轮组件相连的电子装置供电。
15.根据权利要求14的发电方法，其特征在于所述调节步骤包括整流在压电结构中产生的电流。
16.一种发电模块，包括一压电元件，其具有输出端并基于所述压电元件的挠曲提供一个输出电压；一整流器，其具有一个输入和一个输出，其中该整流器的输入与该压电元件的输出端耦合；一控制器；一第一存储元件，其与该整流器的输出耦合；和一第二存储元件，其通过所述控制器可控地与所述整流器耦合；其特征在于该压电元件，基于挠曲，产生一电荷，该电荷被存储在第一存储元件中，在到达一阈值水平时，该电荷被部分地转移到第二存储元件。
17.根据权利要求16的发电模块，其特征在于第一和第二存储元件是电容器。
18.根据权利要求17的发电模块，其特征在于该第一存储元件的储能电容比该第二存储元件的储能电容小。
19.根据权利要求16的发电模块，还包括一个在第一和第二存储元件之间耦合的转换器。
20.根据权利要求19的发电模块，其特征在于该转换器是降压转换器。
21.根据权利要求18的发电模块，其特征在于该第一存储元件的工作电压比该第二存储元件的工作电压高。
22.根据权利要求18的发电模块，其特征在于所述控制器需要工作能量，且所述工作能量最初由所述第一存储元件提供。
23.根据权利要求22的发电模块，其特征在于该控制器的追加工作能量由所述第二存储元件供应。
全文摘要
一种由转动轮胎的机械能产生电力的系统和对应方法，包括压电发电装置，该压电发电装置与电能收集和调节模块相连。该压电结构优选地装配在轮胎结构中，以便当车轮组件沿地面移动时，在轮胎结构中产生电荷。压电结构的电极与电能收集和调节模块耦合，其中该电能收集和调节模块整流压电结构中的合成电流，并将该合成电流调节和存储在多级储能装置(优选为多个电容器)中。稳定电压源提供存储在发电装置中的能量，并能被用于选择性地为集成在轮胎或车轮组件中的不同的电子系统供电。一个为所公开的发电装置所使用的集成轮胎电子系统的例子对应于一个轮胎监测系统，该系统将如轮胎压力、温度和识别变量这样的信息无线传送到远程位置的接收机。
文档编号H02M3/07GK1733513SQ20051008992
公开日2006年2月15日 申请日期2005年8月4日 优先权日2004年8月4日
发明者P·A·廷德尔 申请人:米其林技术公司, 米其林研究和技术股份有限公司