CN106427419B - 车辆轮胎内的电能产生 - Google Patents
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Abstract
一种用于在车辆的轮胎内安装的设备包括柔性臂和耦合到该柔性臂以用于产生电能的电力产生元件。该柔性臂的一端耦合到该轮胎的轮辋。该柔性臂的相对端被配置成与该轮胎的内部轮胎触地面接触。该柔性臂能够响应于在该轮胎的滚动移动期间该轮辋与该内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，并且该电力产生元件响应于该柔性臂的变形产生电能。该设备可以与胎压传感器模块组合为系统以便提供电能用于为该胎压传感器模块供电。
Description
技术领域
本发明大体上涉及车辆轮胎内的电能产生。更确切地说，本发明涉及响应于滚动的轮胎的轮辋与内部轮胎触地面之间的距离的可变性产生电能。
背景技术
电子装置正日益并入车辆轮胎内。这些电子装置可以包括传感器和适于获得关于轮胎的各种物理参数(例如，胎压、胎温、轮胎转数、车辆速度等等)的信息的其它组件。此类信息可适用于轮胎监测和/或警报系统。实际上，胎压监测系统(tire pressuremonitoring system，TPMS)通常用于监测机动车辆的胎压。通常，轮胎性能信息会被传输到机动车辆的车辆侧收发器。因此，位于车轮处的电子装置可以包括无线传输电路。此外，可以采用微处理器以便收集来自传感器的信号并在传输之前处理该信号。
此类集成轮胎电子产品模块必须得到电力供应以用于操作其传感器元件、用于处理传感器信号并且用于将信号传输到车辆侧收发器。因此，此类电子产品模块通常由位于轮胎电子产品内的非再充电型电池供电。不利的是，集成轮胎电子产品模块内的电池的使用寿命有限。例如，用于集成轮胎电子产品模块的电池可以持续大致六年到十年。然而，轮胎可以具有大致五年的使用期限，而汽车可以具有十年或更长的使用期限。因此，将很可能需要在车辆的使用期限期间更换电池或整个模块。例如，可能需要在更换轮胎不久之后更换每个轮胎的电池或整个模块，这既不方便而且也昂贵。可替换的是，作为预防性维护措施，可能会随着轮胎同时丢弃并更换具有大量剩余电池寿命的可操作的集成轮胎电子产品模块，这既浪费又昂贵。此外，一些驾驶员会忽略指示电池需要更换的仪表盘警示灯以便避免支付维修费，由此降低了他们的安全性。
因此，从成本、可靠性、安全性和环境的角度来看，需要的是淘汰使用电池作为集成轮胎电子产品的能量源或至少延长电池的使用寿命。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于在车辆的轮胎内安装的设备，包括：具有第一端和第二端的柔性臂，其中所述第一端被配置成耦合到在上面安装所述轮胎的轮辋和所述轮胎的内部轮胎触地面中的一个，并且所述第二端被配置成与所述轮辋和所述内部轮胎触地面中的另一个接触；以及电力产生元件，所述电力产生元件耦合到所述柔性臂以用于产生电能，其中所述柔性臂响应于在所述轮胎的滚动移动期间所述轮辋与所述内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，并且所述电力产生元件响应于所述柔性臂的变形产生所述电能。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于在车辆的轮胎内部安装的系统，包括：胎压传感器模块，其用于监测所述轮胎中的气压；以及电力产生设备，其包括：具有第一端和第二端的柔性臂，所述第一端耦合到在上面安装所述轮胎的轮辋和所述轮胎的内部轮胎触地面中的一个，所述第二端与所述轮辋和所述内部轮胎触地面中的另一个接触；以及电力产生元件，所述电力产生元件耦合到所述柔性臂以用于产生电能，所述电力产生元件与所述胎压传感器模块电连通，其中所述柔性臂响应于在所述轮胎的滚动移动期间所述轮辋与所述内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，所述电力产生元件响应于所述柔性臂的变形产生所述电能，并且所述电力产生元件向所述胎压传感器模块提供所述电能。
附图说明
附图用来另外示出各种实施例并解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1示出实施根据实施例的集成轮胎电子产品系统的机动车辆的俯视图；
图2示出根据本发明的包括胎压传感器模块和电力产生设备的集成轮胎电子产品系统的简化框图；
图3示出电力产生设备的柔性臂的正视图；
图4示出胎压传感器模块的方框图；
图5示出电力产生设备的方框图；
图6示出集成轮胎电子产品模块位于其中的轮胎的局部截面视图；
图7示出图6的轮胎的局部截面视图，其中该轮胎已经旋转使得集成轮胎电子产品系统位于轮胎在一个表面上滚动时轮胎与该表面的接触面处；
图8示出具有根据另一实施例的集成轮胎电子产品系统的轮胎的局部截面视图；
图9示出具有根据另一实施例的集成轮胎电子产品系统的轮胎的局部截面视图；
图10示出具有根据另一实施例的集成轮胎电子产品系统的轮胎的局部截面视图；
图11示出具有根据另一实施例的集成轮胎电子产品系统的轮胎的局部截面视图；
图12示出当具有图11的集成轮胎电子产品系统的轮胎在运动中时该轮胎的局部截面视图；以及
图13示出具有根据又一实施例的集成轮胎电子产品系统的轮胎的局部截面视图。
具体实施方式
概括来说，本发明涉及一种电力产生设备、一种位于包括该电力产生设备的车辆的轮胎内部的系统，以及一种用于在车辆的轮胎内产生电能的方法。更确切地说，电力产生设备可以位于在上面安装轮胎的轮辋上，以用于向集成轮胎电子产品提供电能，集成轮胎电子产品例如胎压传感器模块或智能胎压传感器模块。电力产生设备在轮胎旋转时利用轮辋与轮胎的内部轮胎触地面之间距离的可变性来产生电能。电力产生设备使胎压传感器模块与轮胎的使用寿命完全脱离，可以允许排除或最小化用于胎压传感器模块的车载电池，并且可以无限地延长胎压传感器模块的使用期限。此外，电力产生设备可以产生比当前胎压传感器模块所需的更多的电能，由此减少此类装置中对严格的低功率要求的需要。另外，电力产生设备可以用来从睡眠/停放工作模式切换到运动/感测工作模式，由此减少或排除在胎压传感器模块内设置运动检测传感器(例如，加速计)的需要。
提供本发明以通过能够实现的方式对在应用时制作和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本发明以加强对本发明的创造性原理和优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。应理解，例如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，而不必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。本发明仅通过所附权利要求书限定，该所附权利要求书包括在本申请及提出的那些权利要求的全部等效物的未决期间所进行的任何修正。
参考图1，图1示出实施根据实施例的集成轮胎电子产品系统22、24、26、28的机动车辆20的顶视图。在示出的实施例中，机动车辆20是具有电机30的汽车。然而，车辆20可以是任何类型的机动车辆，例如卡车、半拖车、多用途运动车、摩托车、公交车、电动车辆、飞机等。
车辆20由四个车轮32、34、36、38支撑。每个车轮32、34、36、38包括轮辋40、42、44、46，在这些轮辋40、42、44、46上面安装轮胎48、50、52、54。车辆20还包括具有轮辋58和轮胎60的备用轮56。车轮32、34、36、38中的每一个车轮包括对应的集成轮胎电子产品系统22、24、26、28。类似地，备用轮56可以包括集成轮胎电子产品系统62。在示出的实施例中，集成轮胎电子产品系统22、24、26、28、62中的每一个安装到其车轮32、34、36、38、56的轮辋40、42、44、46、58暴露于对应轮胎48、50、52、54、60的内部加压侧的一部分。
每个集成轮胎电子产品系统22、24、26、28、62包括天线，该天线用于将关于对应轮胎48、50、52、54、60的信息传输到安装在仪表板66中的中央控制器系统64。控制器系统64评估接收到的信息并且通过启动仪表板66中的指示器(例如，显示器68或仪表盘灯)适时通知驾驶员任何异常情况。总体而言，集成轮胎电子产品系统22、24、26、28、62以及车辆侧控制器系统64和显示器68形成车辆20的胎压监测系统(tire pressure monitoring system，TPMS)。
图2示出根据实施例的包括胎压传感器模块70和电力产生设备72的集成轮胎电子产品系统22的简化框图。电力产生设备72的胎压传感器模块70和电力调节电路74可以封入安装到车轮32(图1)的轮辋40(图1)上的防护外壳76中。因此，集成轮胎电子产品系统22容纳在轮胎48的加压环境内。为简单起见，结合车轮32(图1)和集成轮胎电子产品系统22描述结合图2和随后图3-10呈现的以下论述。然而，应理解，以下论述等效地适用于集成轮胎电子产品系统24、26、28和62(图1)。
一般来说，电力产生设备72与胎压传感器模块70电互连从而向胎压传感器模块70提供电能78，标记为PWR。另外，在一些实施例中，电力产生模块72可以向胎压传感器模块70提供唤醒信号80，标记为WAKE。胎压传感器模块70可以感测轮胎的压力，处理压力信号，并且随后经由天线84将输出信号82传输到控制器系统64。控制器系统64包括射频(radiofrequency，RF)接收器86，该RF接收器86具有天线88以用于接收传输的输出信号82并将输出信号82传送到信息处理电路90进行另外的处理。显示器68连接到信息处理电路90的输出端，并且在车辆20(图1)的仪表板66(图1)处呈现由信息处理电路90导出的信息。
根据具体实施例，电力产生设备72包括位于外壳76中的电力调节电路74、柔性臂92和电力产生元件94。柔性臂92和电力产生元件94位于外壳76外部。电力产生元件94耦合到柔性臂92并且被配置成产生电能78。更确切地说，柔性臂92具有第一端96和第二端98。第一端96经由(例如)焊接、边缘连接器、紧固件等耦合到集成轮胎电子产品系统22的外壳76。通过到外壳76的连接，柔性臂92的第一端96由此耦合到车轮32(图1)的轮辋40(图1)。
柔性臂92的第二端98被配置成与轮胎48的内部轮胎触地面100接触。然而，第二端98从内部轮胎触地面100机械地解耦。也就是说，不存在将柔性臂92的第二端98物理地连接到内部轮胎触地面100的紧固件、粘合剂等。由于不存在柔性臂92到轮胎48的内部轮胎触地面100的物理连接，因此电力产生设备72能从轮胎48充分地解耦。相应地，当需要更换轮胎48时，包括柔性臂92的集成轮胎电子产品系统22将保持安装到轮辋40而不必同时被换掉。
在一些实施例中，第二端98包括钩状特征99或一些其它结构以便于第二端98相对于内部轮胎触地面100的滑动运动。例如，柔性臂92可以被预制为或以其它方式定形为包括钩状特征99。钩状特征99的上翻部分能在很大程度上防止柔性臂92的第二端98粘附到或以其它方式损坏内部轮胎触地面100。本领域的技术人员将认识到，第二端98可以具有有助于第二端98相对于内部轮胎触地面100的滑动运动的任何合适的形状。
一起参考图2和3，图3示出电力产生设备72的柔性臂92的正视图。在实施例中，柔性臂92呈现至少相当于轮辋40与轮胎48的内部轮胎触地面100之间的距离的最大量值的总长度102。简要地参考图6，最大距离104处于轮胎48内部当轮胎48不与表面106(例如，道路)接触且轮胎48被充分地充气时的位置处。
返回参考图2和3，柔性臂92由适当刚性的但是可弹性变形的材料形成。也就是说，柔性臂92由当被施加力时能够弯曲或折曲的材料形成。然而，此变形是可反转的。如此，一旦不再施加致使弯曲的力，柔性臂92就会返回为其初始形状。此类材料包括但不限于弹性体、形状记忆金属、橡胶等。
在一些实施例中，柔性臂92包括表面108，该表面108具有第一尺寸109，例如，宽度(见图3)，该第一尺寸大于第二尺寸110，例如柔性臂92的厚度(见图2)。柔性臂92的该配置使得柔性臂92能够在大致横向于柔性臂92的平坦表面108的方向上112上变形。电力产生元件94耦合到柔性臂92的表面108。更确切地说，电力产生元件94在柔性臂92中的弯曲部相对于该弯曲部的其余部分最大程度弯曲的位置114处耦合到柔性臂92。虽然柔性臂92描述为具有明显大于其厚度110的宽度109，但是在替代实施例中，柔性臂92可以是具有低宽度厚度比的“晶须”配置。此类“晶须”配置可以用来使得轮胎的拆除更容易，因为该配置将顺应侧向负荷。
在操作中，当车轮32旋转(即，滚动)时，轮胎48与道路106的表面瞬时接触的部分将瞬时压缩，使得轮辋40与轮胎48的内部轮胎触地面100之间的距离相对于最大距离104(图6)减小。轮胎48与表面106之间的接触位置有时被称为接触面。随着轮胎48继续滚动，此位置将移动而不再与表面106接触，即接触面结束。因此，轮辋40与轮胎48的内部轮胎触地面100之间的距离将增大至(例如)最大距离104。响应于在轮胎48的此滚动移动期间轮辋40与轮胎48之间的距离的此可变性，具有与内部轮胎触地面100接触的第二端98的柔性臂92变形，即，弯曲。也就是说，当车轮32旋转时，柔性臂92将响应于来自与表面106接触施加的力而弯曲，且随后当因柔性臂92的弹性变形特征而消除了此力时使该柔性臂92的弯曲部反转。
在实施例中，电力产生元件94可以是能够将由柔性臂92的变形引起的机械应力转换成电能78的压电条带材料，例如薄膜钛酸铅锆(PZT)、石英、铌酸锂、或其它压电材料。也就是说，压电材料一般来说包括在经受机械应力时产生电荷的结晶或多晶材料。因此，压电电力产生元件94能够通过压电效应从柔性臂92的运动(即，变形)中收集能量。典型压电条带材料可以产生毫瓦量级的电力，该电力对集成轮胎电子产品系统22内的电子电路供电可以是绰绰有余的。通过将电力产生元件94置放在相对于柔性臂92的其余部分具有最大程度弯曲(即，最大机械应力)的位置114处，可以从柔性臂92的运动中收集最大量的能量。
如图3中所示，可以在柔性臂92中形成一个或多个导电迹线116、118。例如，柔性臂92可以被配置成具有多个内层的平坦柔性电路，其中这些层中的至少一层包括导电迹线116、118。在这个例子中，导电迹线116、118可以与位于柔性臂92的第一端96处的边缘连接器120内的引脚耦合。因此，边缘连接器120可以与外壳76中的对应插座(未示出)相连接，从而使压电材料与电力产生设备72的电力调节电路74电互连。本领域的技术人员将认识到，可以设想其它结构配置以用于将收集到的电能78从压电电力产生元件94载送到电力调节电路74。
图4示出胎压传感器模块70的简化框图。胎压传感器模块70包括电池122，该电池122可以连接到电力管理电路124的输入端。例如，电池正输出端连接到电力管理电路124的输入端。电池负输出端可以连接到集成轮胎电子产品系统22(图2)内的所有模块的公共回线。另外，电力产生设备72(以虚线形式示出)可以连接到电力管理电路124的另一输入端和/或连接到电池122(以虚线形式示出)。
来自电力产生没备72的电能78和来自电池122的电能可以由电力管理电路124控制以分别地对压力传感器126、温度传感器128、过程控制器130以及具有天线84的RF发射器132的输入端供电。在一些实施例中，相对电池122中存储的电能的使用，电力管理电路124可以优先使用来自电力产生设备72的电能78。如此，电池122可以是小容量电池。可替换的是，电力产生设备72可以产生足够的电能，因此可以不需要电池122。并且在又其它实施例中，电池122可以从电力产生设备72再充电。
在操作中，当压力传感器126被供电时，压力传感器126用于感测胎压。在一种形式中，压力传感器126可以是适于置放在轮胎48内的微机电系统(microelectromechanicalsystem，MEMS)压力传感器。例如，可以用硅的形式制造压力传感器，其中物理感测机构为可变电阻或可变电容。类似地，在被供电时，温度传感器128用于感测轮胎48内的空气的温度。可以使用可变电容、可变电阻或二极管电压完成温度测量。
过程控制器130可以用于执行压力传感器128和温度传感器128的输出的模数转换、向传感器126、128提供时钟同步和控制信号、提供参考电压、并且执行与压力和温度测量值相关联的传感器误差和非线性误差的校正。另外，过程控制器130用于以给定时间间隔收集压力和温度测量值，且随后经由RF发射器132以另一时间间隔发送该数据。例如，过程控制器130可以在轮胎48内的气压降到预定值以下时向RF发射器132提供低压告警信号。
在一些配置中，将电力管理电路124用作矩阵开关，过程控制器130可以选择性地连接和切断胎压传感器模块70的其它功能组件的电源。除了充当矩阵开关以外，电力管理电路124还可以将其它功率节省逻辑和功能性并入该电力管理电路中以实施各种较低功率模式和时序感测参数。本领域的技术人员将容易认识到，胎压传感器模块70可以具有多于或少于图4中描绘的功能模块，并且可以具有多于或少于本文中描述的功能性。
管理和控制功耗是低功率应用的关键任务。例如胎压传感器模块70等一些通信系统可以在功能性减少和功耗减少的情况下从作用、启用或运动模式切换到备用、停用或停放模式。此外，与静止时相反，在车辆使用时可能需要更频繁地监测胎压。因此，胎压传感器模块有时被配置成用于至少两种工作模式，在本文中称为运动模式和停放模式。在运动模式中，胎压传感器模块70可以比在停放模式中(例如，每十分钟一次)时更频繁地(例如，每十五秒一次)获得胎压读数。
因此，一些胎压传感器模块包括用于识别轮胎何时处于运动中的额外运动检测传感器和电路。可替换的是，一些胎压传感器模块可以在存储器(例如，ROM)中含有逻辑电路或软件代码，以用于仅仅基于压力和温度测量值识别轮胎何时处于运动中的目的。额外运动检测传感器和电路和/或逻辑电路或软件代码增加了此类胎压传感器模块的复杂度以及相应成本。
根据实施例，当轮胎48(图2)开始旋转并且柔性臂92(图2)响应于轮胎48的旋转而变形时，将开始产生电能78。借助于实例，可以基于柔性臂92的变形率和/或基于跨电力产生元件94的负荷产生电压。柔性臂92的变形率越高，所产生的电压将越高。类似地，跨电力产生元件92的负荷越小(即，电阻越高)，所产生的电压将越高。在实施例中，电力调节电路74可以含有检测和调节电路，该检测和调节电路最初检测由电力产生元件94产生的电压，并且将唤醒信号80传送到过程控制器130，使得过程控制器130能够从停放模式直接切换到感测模式。相反，当轮胎48停止旋转时，还可以向过程控制器传送唤醒信号80的丢失(任选地受制于一定的时序考量)，使得过程控制器130能够从感测模式直接切换到停放模式。通过使用来自电力产生设备72的唤醒信号80，可以无需将运动检测传感器和电路和/或逻辑电路或软件代码并入胎压传感器模块70中，由此可能减少胎压传感器模块70的成本和复杂度。
图5示出电力产生设备72的简化框图。一般来说，电力产生设备72包括电力产生元件94，该电力产生元件94与电力调节电路74电连通。电力产生设备72可以另外包括电力存储装置134，该电力存储装置134经由电力调节电路74与电力产生元件94电互连。另外，电力存储装置134可以与胎压传感器模块70电互连(以虚线形式示出)。电力存储装置134可以是可再充电电池、电容器、超级电容器、或能够在需要使用之前一直存储电能的一些其它装置。
在实施例中，电力产生元件94利用轮辋40(图1)与内部轮胎触地面100(图2)之间的距离的可变性产生电力，该距离的可变性在本文中表示为轮胎面-轮辋距离变化参数136。电力调节电路74从电力产生元件94接收由能量收集产生的电力。电力调节电路74将该电力转换成用于电能78的适当电压。电力调节电路74接着可将电能78提供到胎压传感器模块70。可替换的是或另外，电力调节电路74可以将电能78的全部或一部分提供到电力存储装置134，在需要由胎压传感器模块70使用之前可以一直在该电力存储装置134中存储电能78的该全部或一部分。
图6示出集成轮胎电子产品系统22位于其中的轮胎48的局部截面视图。如图所示，集成轮胎电子产品系统22的外壳76在轮胎48的阀杆138处安装到轮辋40。轮胎48沿着表面106滚动而处于运动中，如由箭头140表示。柔性臂92的第二端98与轮胎48的内部轮胎触地面100接触。然而，轮胎48的在柔性臂92当前所位于的区域处不与表面106接触。因此，可弹性变形的柔性臂92伸展到距离142，并且可以或可以不保持与内部轮胎触地面100接触。箭头144表示柔性臂92的弯曲部使得柔性臂92在这种非接触方位中伸展到距离142的方向。
图7示出轮胎48的局部截面视图，其中该轮胎48已经旋转使得集成轮胎电子产品系统22目前位于轮胎48在表面106上滚动时该轮胎48与该表面106的接触面146处。图7表示轮胎48的在柔性臂92当前所位于的区域处与表面106接触的情况。因此，可弹性变形的柔性臂92压缩为小于距离142(图6)的距离148。箭头150表示柔性臂92的弯曲部使得柔性臂92在这种接触方位中压缩到距离148的方向。
图8示出具有根据另一实施例的集成轮胎电子产品系统152的轮胎48的局部截面视图。集成轮胎电子产品系统152在很大程度上相当于上文所论述的集成轮胎电子产品系统22。因此，集成轮胎电子产品系统152包括柔性臂92、电力调节电路74(未示出)以及胎压传感器模块70(未示出)。为简洁起见，将不在本文中重复这些组件的描述。然而，集成轮胎电子产品系统152实施电磁电力产生设备154，代替上文所论述的压电电力产生元件94(图2)。
电磁电力产生设备154包括磁体156，该磁体156耦合到柔性臂92。电磁电力产生设备154另外包括线圈元件158，该线圈元件158耦合到外壳76或以其它方式定位在外壳76内，使得该线圈元件158与轮辋40呈固定关系。根据这个替代实施例，当柔性臂92响应于轮辋40与内部轮胎触地面100之间的距离的可变性而变形时，响应于磁体156(该磁体156耦合到柔性臂92)相对于线圈元件158移动而在线圈元件158中产生电能78(图2)。磁体156相对于线圈元件158的移动由箭头160表示。也就是说，通过保持线圈元件158静止并且移动磁场，即，移动磁体156，在线圈元件158中诱发电压。此电力在电力调节电路74(图2)处被适当调节以产生电能78(图2)从而为胎压传感器模块70(图2)供电。
图9示出具有根据另一实施例的集成轮胎电子产品系统162的轮胎48的局部截面视图。集成轮胎电子产品系统162在很大程度上相当于上文所论述的集成轮胎电子产品系统22。因此，集成轮胎电子产品系统162包括柔性臂92、电力调节电路74(未示出)以及胎压传感器模块70(未示出)。同样，为简洁起见，将不在本文中重复这些组件的描述。类似于集成轮胎电子产品系统152(图8)，集成轮胎电子产品系统162也实施电磁电力产生配置，代替上文所论述的压电电力产生元件94(图2)。
集成轮胎电子产品系统162包括电磁电力产生设备164，该电磁电力产生设备164包括磁体166，该磁体166耦合到非铁磁轴168，该非铁磁轴168又耦合到柔性臂92。磁体166另外与固定的弹簧元件170耦合。电磁电力产生设备164另外包括线圈元件172，该线圈元件172耦合到外壳76或以其它方式定位在外壳76内，使得该线圈元件172与轮辋40呈固定关系。以虚线形式示出外壳76从而主要显示并强调电磁电力产生设备164的元件。
根据这个替代实施例，当柔性臂92响应于轮辋40与内部轮胎触地面100之间的距离的可变性而变形时，响应于安装到轴168(该轴168耦合到柔性臂92)的磁体166相对于线圈元件172移动而在线圈元件172中产生电能78(图2)。也就是说，通过保持线圈元件172静止并且移动磁场，即，移动磁体166，在线圈元件172中诱发电压。磁体166相对于线圈元件172的移动由箭头174表示。此电力在电力调节电路74(图2)处被适当调节以产生电能78(图2)从而为胎压传感器模块70(图2)供电。
图10示出具有根据又一实施例的集成轮胎电子产品系统176的轮胎48的局部截面视图。集成轮胎电子产品系统176的组件在很大程度上相当于先前描述的系统，不同的是集成轮胎电子产品系统176利用柔性臂178代替上文所论述的柔性臂92。在这种示例性配置中，压电电力产生元件94耦合到柔性臂178。柔性臂178包括经由外壳76耦合到轮辋40的第一端180以及与内部轮胎触地面100接触但是从内部轮胎触地面100机械地解耦的第二端182。然而，柔性臂178的形状与上文描述的那些柔性臂不同。因此，压电电力产生元件94在第一端180附近耦合到柔性臂178，所耦合的位置是相对于柔性臂178的其余部分最大弯曲的位置。由于电力产生元件94耦合到柔性臂的第一端180，因此该电力产生元件94邻近外壳76和阀杆138置放。因此，在外壳76与电力产生元件94之间伸展的导电迹线(未示出)不必与先前描述的结构一样长。
柔性臂178包括从柔性臂178的第二端182伸展的高柔韧性尾部结构184。如上文所论述，当需要更换轮胎48时，包括柔性臂92的集成轮胎电子产品系统将保持安装到轮辋40而不必同时被换掉。在图10的实施例中，尾部结构184呈现与轮辋40的外圆周相对应的长度。当从轮辋40拆除轮胎时，尾部结构184将很容易地弯曲移开。随后，可以围绕轮辋40卷绕柔性尾部结构184，并且可以将端部186任选地经由闩锁机构(未示出)紧固到外壳76，从而将柔性臂178保持在升高位置中。接着可以将新轮胎至少部分地安装在轮辋40上，并且可以释放保持尾部结构184的端部184的闩锁机构。例如，阀杆138上的按钮可以释放尾部结构184的端部184并且由此允许柔性臂178下降到与轮胎48的内部轮胎触地面100接触中。随着轮胎开始旋转，离心力可以致使尾部结构184从轮辋40朝外移动以接触内部轮胎触地面100，同时保持从内部轮胎触地面100机械地解耦。
图11示出具有根据另一实施例的集成轮胎电子产品系统188的轮胎48的局部截面视图。集成轮胎电子产品系统188的组件在很大程度上相当于先前描述的系统，不同的是集成轮胎电子产品系统188利用柔性臂190代替上文所论述的柔性臂。在这种示例性配置中，压电电力产生元件94在相对于柔性臂190的其余部分最大弯曲的位置处耦合到柔性臂190。柔性臂190包括经由外壳76耦合到轮辋40的第一端192以及与内部轮胎触地面100接触但是从内部轮胎触地面100机械地解耦的第二端194。在一些实施例中，质量元件196可以耦合到柔性臂190的第二端194。
图11表示轮胎48不在运动中的情况，即，轮胎48未旋转或低于一定临界转速的情况。在此类情况下，柔性臂190的弹簧力将致使柔性臂190的第二端194被朝向轮辋40牵引。因此，在轮胎的安装和拆除期间柔性臂190将不会碍事且被损坏或毁坏。
图12示出当具有集成轮胎电子产品系统188的轮胎48在运动中(如由箭头197表示)时该轮胎48的局部截面视图。当轮胎48旋转时，柔性臂190的弹簧力小于由旋转运动引起的离心力。因此，柔性臂190的第二端194将被牵引与内部轮胎触地面100接触。
上文描述的各种实施例包括柔性臂，柔性臂中的一端被配置成耦合到在上面安装轮胎的轮辋，并且相对端被配置成与轮胎的内部轮胎触地面接触。然而，在替代实施例中，有可能柔性臂的一端被配置成耦合到轮胎的内部轮胎触地面，并且相对端被配置成与轮辋接触但是从轮辋机械地解耦。
现在参考图13，图13示出具有根据又一实施例的集成轮胎电子产品系统200的轮胎198的局部截面视图。一般来说，轮胎198是不通过气压支撑的非充气轮胎或无空气轮胎。在示出的实施例中，充当非充气轮胎198的内部轮胎触地面的轮辋202占据车轮的大部分直径。轮辋202可以用耐磨橡胶轮胎面材料204覆盖。当每个柔性臂206经过接触面J46时，呈半刚性臂或轮辐形式的柔性臂206变形，以使安装轮胎198的车辆的行驶平缓。电力产生元件94位于每个柔性臂206的压缩区域处，即，最柔韧的部分处。所有电力产生元件94可以接线到集成电子产品系统200的外壳76内的电力调节电路(未示出)，该集成电子产品系统200可以安装在轮毂208(轮胎198安装到轮毂208)附近，或可替换的是，安装在轮辋202上。
综上所述，上文所论述的本发明的实施例必然包括一种电力产生设备、一种位于包括该电力产生设备的车辆的轮胎内部的系统、以及一种用于在车辆的轮胎内产生电能的方法。一种用于在车辆的轮胎内安装的设备的实施例包括具有第一端和第二端的柔性臂。第一端被配置成耦合到在上面安装轮胎的轮辋和轮胎的内部轮胎触地面中的一个。第二端被配置成与轮辋和内部轮胎触地面中的另一个接触但是从该另一个机械地解耦。该设备另外包括电力产生元件，该电力产生元件耦合到柔性臂以用于产生电能，其中柔性臂响应于在轮胎的滚动移动期间轮辋与内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，并且电力产生元件响应于柔性臂的变形产生电能。
一种用于在车辆的轮胎内部安装的系统的实施例包括用于监测轮胎中的气压的胎压传感器模块以及电力产生设备。电力产生设备包括具有第一端和第二端的柔性臂。第一端耦合到在上面安装轮胎的轮辋和轮胎的内部轮胎触地面中的一个。第二端与轮辋和内部轮胎触地面中的另一个接触但是从该另一个机械地解耦。该电力产生设备另外包括电力产生元件，该电力产生元件耦合到柔性臂以用于产生电能。电力产生元件与胎压传感器模块电连通，其中柔性臂响应于在轮胎的滚动移动期间轮辋与内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，电力产生元件响应于柔性臂的变形产生电能，并且电力产生元件向胎压传感器模块提供电能。
一种用于在车辆的轮胎内产生电能的方法的实施例包括将设备耦合到在上面安装轮胎的轮辋。该设备包括柔性臂和耦合到柔性臂的电力产生元件。柔性臂具有第一端和第二端，其中该耦合操作将柔性臂的第一端机械地耦合到轮辋，并且柔性臂的第二端与轮胎的内部轮胎触地面接触但是从该内部轮胎触地面机械地解耦。该方法另外包括在表面上旋转轮胎，其中柔性臂响应于在轮胎的滚动移动期间轮辋与内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，并且电力产生元件响应于柔性臂的变形产生电能。
电力产生设备在轮胎旋转时利用轮辋与轮胎的内部轮胎触地面之间距离的可变性来产生电能。此外，在上面存在电力产生元件并且可以从轮胎的内部轮胎触地面机械地解耦的柔性臂使胎压传感器模块与轮胎的使用寿命完全脱离，可以允许排除或最小化用于胎压传感器模块的车载电池，并且可以无限地延长胎压传感器模块的使用期限。此外，电力产生设备可以产生比当前胎压传感器模块所需的更多的电能，由此减少此类装置中对严格的低功率要求的需要。另外，电力产生设备可以用来从睡眠/停放工作模式切换到运动/感测工作模式，由此减少或排除在胎压传感器模块内设置运动检测传感器(例如，加速计)的需要。
本公开旨在阐明使用根据本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不打算是穷尽性的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可以进行许多修改或变化。选择和描述实施例是为了提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最佳说明，并且使本领域的技术人员能够在各种实施例中并用适合于所预期特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的广度来解释时，所有这样的修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的保护范围内，并且在本专利申请的未决期间可以修正。
Claims (18)
1.一种用于在车辆的轮胎内安装的设备，其特征在于，包括：
具有第一端和第二端的柔性臂，其中所述第一端被配置成耦合到在上面安装所述轮胎的轮辋和所述轮胎的内部轮胎触地面中的一个，并且所述第二端被配置成与所述轮辋和所述内部轮胎触地面中的另一个接触；以及
电力产生元件，所述电力产生元件耦合到所述柔性臂以用于产生电能，其中所述柔性臂响应于在所述轮胎的滚动移动期间所述轮辋与所述内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，并且所述电力产生元件响应于所述柔性臂的变形产生所述电能；
所述电力产生元件在所述柔性臂中的弯曲部相对于所述弯曲部的其余部分最大程度弯曲的位置处耦合到所述柔性臂。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述柔性臂从所述轮胎的所述内部轮胎触地面机械地解耦。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述柔性臂包括可弹性变形的的材料。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述柔性臂包括大体上平坦表面，所述大体上平坦表面具有大于所述柔性臂的厚度的宽度，所述电力产生元件附接到所述平坦表面并且所述柔性臂在大致横向于所述平坦表面的方向上变形。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电力产生元件包括能够将由所述柔性臂的所述变形引起的机械应力转换成所述电能的压电材料。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电力产生元件包括：
耦合到所述柔性臂的磁体；以及
与所述轮辋和所述内部轮胎触地面中的所述一个呈固定关系的线圈元件，响应于所述磁体相对于所述线圈元件移动在所述线圈元件中产生所述电能。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电力产生元件被配置成与位于所述轮胎内的胎压传感器模块电连通，所述电力产生元件向所述胎压传感器模块提供所述电能。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，当所述轮胎静止时所述胎压传感器模块进入停放模式，并且从所述电力产生元件向所述胎压传感器模块的所述电能的提供致使所述胎压传感器模块从所述停放模式进入运动模式。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，另外包括与所述电力产生元件电连通的电力存储装置，其中所述电力产生元件向所述电力存储装置提供所述电能。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电力存储装置被配置成与位于所述轮胎内的胎压传感器模块电连通，所述电力存储装置向所述胎压传感器模块提供所述电能。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电力存储装置包括可再充电电池、电容器和超级电容器中的一个。
12.一种用于在车辆的轮胎内部安装的系统，其特征在于，包括：
胎压传感器模块，用于监测所述轮胎中的气压；以及
电力产生设备，包括：
具有第一端和第二端的柔性臂，所述第一端耦合到在上面安装所述轮胎的轮辋和所述轮胎的内部轮胎触地面中的一个，所述第二端与所述轮辋和所述内部轮胎触地面中的另一个接触；以及
电力产生元件，所述电力产生元件耦合到所述柔性臂以用于产生电能，所述电力产生元件与所述胎压传感器模块电连通，其中所述柔性臂响应于在所述轮胎的滚动移动期间所述轮辋与所述内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，所述电力产生元件响应于所述柔性臂的变形产生所述电能，并且所述电力产生元件向所述胎压传感器模块提供所述电能；
所述电力产生元件在所述柔性臂中的弯曲部相对于所述弯曲部的其余部分最大程度弯曲的位置处耦合到所述柔性臂。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述系统被配置成安装在所述轮辋上，并且所述柔性臂的所述第一端附接到所述胎压传感器模块的外壳，所述柔性臂的所述第一端经由所述第一端到所述外壳的附接而耦合到所述轮辋。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，当所述轮胎静止时所述胎压传感器模块进入停放模式，并且从所述电力产生元件向所述胎压传感器模块的所述电能的提供致使所述胎压传感器模块从所述停放模式进入运动模式。
15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，另外包括在所述电力产生元件与所述胎压传感器模块之间电互连的电力存储装置，其中所述电力产生元件向所述电力存储装置提供所述电能的至少一部分。
16.一种用于在车辆的轮胎内产生电能的方法，其特征在于，包括：
将设备耦合到在上面安装所述轮胎的轮辋，所述设备包括柔性臂和耦合到所述柔性臂的电力产生元件，所述柔性臂具有第一端和第二端，其中所述耦合将所述柔性臂的所述第一端机械地耦合到所述轮辋，并且所述柔性臂的所述第二端与所述轮胎的内部轮胎触地面接触；以及
在表面上旋转所述轮胎，其中所述柔性臂响应于在所述轮胎的滚动移动期间所述轮辋与所述内部轮胎触地面之间距离的可变性而变形，并且所述电力产生元件响应于所述柔性臂的变形产生所述电能；
所述电力产生元件在所述柔性臂中的弯曲部相对于所述弯曲部的其余部分最大程度弯曲的位置处耦合到所述柔性臂。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，另外包括将所述电能的至少一部分提供到与所述电力产生元件电连通的胎压传感器模块。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，另外包括将所述电能的至少一部分存储在与所述电力产生元件电连通的电力存储装置中。
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