用于在车轮轮胎内产生电能的方法和系统技术方案

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术涉及一种用于对安装到车辆本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：M布鲁萨罗斯科，F曼科苏，
申请(专利权)人：倍耐力轮胎股份公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]