CN109768735A

CN109768735A - 一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置

Info

Publication number: CN109768735A
Application number: CN201910053994.6A
Authority: CN
Inventors: 芮小博; 李一博; 曾周末; 刘悦; 郑晓雷
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2019-05-17

Abstract

本发明涉及一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，包括基座、悬臂梁、撞击梁、压电片、质量块、能量收集电路、电能存储器件；所述压电片设置在悬臂梁上，所述悬臂梁一端与所述基座固定连接，所述悬臂梁另一端固定连接质量块，所述撞击梁一端固定设在基座上，并与所述悬臂梁平行排布，所述压电片与能量收集电路相连接，所述能量收集电路连接电能存储器件，所述电能存储器件连接车轮无线传感器并为其供电。本发明以悬臂梁为基础能量收集结构，附加质量块与压电片，撞击梁与悬臂梁的质量块在运动过程中产生碰撞，可以拓宽收集频带，从而可以针对多种车速进行能量收集，解决了传统车轮无线传感器需要经常更换电池的问题。

Description

一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置

技术领域

本发明属于能量转化与收集技术领域，尤其涉及一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置。

背景技术

智能轮胎是一种新兴的轮胎概念，配备有多种智能传感器，用于监测轮胎气压、应力、温度、加速度、车轮负载、摩擦和胎面磨损等参数，以此提高轮胎和轮胎控制系统的可靠性。其中目前应用最多的是胎压监测装置，其采用压力传感器获取轮胎内部的气压数据，在轮胎充气不足时提醒驾驶员。不利的道路状况和轮胎缺陷在道路交通事故中起着重要作用。因此，从交通安全的角度来看，迫切需要具有用于道路状况的警告系统的智能轮胎，优化对不良表面的控制，以及测量轮胎变形的轮胎缺陷检测系统，各种传感器的使用将会提高驾驶员的安全性。

智能轮胎的关键技术是传感器的装配，目前传感器的技术已经比较成熟，具有多种商用传感器。因为轮胎及其附属结构中空隙小，结构复杂，因此必须使用无线传感器以减少走线的存在。对于无线传感器来说，其供电是一个主要的问题，因为传统的电池供电方案需要经常对电池进行更换，十分不便。

目前，科研人员提出的基于轮胎旋转的振动能量收集方法，利用轮胎运动中产生的振动产生能量为传感器供电，主要应用的方法有压电法及电磁法。压电法主要利用压电片贴于轮胎内部，当压电片与地面接触时产生应变从而产生能量。电磁法主要利用电磁感应定律，在车轮中加入辅助的磁铁及线圈。但是，因为轮胎橡胶的刚度非常低，所以设计材料在轮胎中是不合适的，高刚度差异可能导致压电片与轮胎橡胶脱粘或降低轮胎性能；其次，电磁的存在对轮胎的一些电磁传感器产生工作的干扰。

因此，基于这些问题，提供一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，用于解决现有汽车轮辋振动能量收集技术中的压电方案需要贴附于轮胎上的集成及应用问题，将结构集成在轮辋辐条中，以提供一种无需外部能源、稳定、高效的供电技术，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，用于解决现有汽车轮辋振动能量收集技术中的压电方案需要贴附于轮胎上的集成及应用问题，将结构集成在轮辋辐条中，以提供一种无需外部能源、稳定、高效的供电技术。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，包括车轮、轮辋辐条、基座、悬臂梁、撞击梁、压电片、质量块、能量收集电路、电能存储器件；

所述压电片设置在悬臂梁上，所述悬臂梁一端与所述基座固定连接，所述悬臂梁另一端固定连接质量块，所述撞击梁一端固定设在基座上，并与所述悬臂梁平行排布，所述压电片与能量收集电路相连接，所述能量收集电路连接电能存储器件，所述电能存储器件连接车轮无线传感器并为其供电；

所述悬臂梁、撞击梁、压电片位于车轮轮辋的任一轮辋辐条内，所述基座固定在车轮轮辋内部靠近轮胎一侧，质量块位于靠近车轮的中心；

所述悬臂梁与压电片的连接面与所述车轮圆形截面垂直。

进一步的，所述悬臂梁采用非铁磁性金属。

进一步的，所述质量块采用非铁磁性材料。

进一步的，所述撞击梁采用非铁磁性金属材料，其长度与包含质量块的悬臂梁一致，其宽度与悬臂梁一致。

进一步的，所述压电片采用压电陶瓷、粗压电纤维复合材料、聚偏氟乙烯中的任一种。

进一步的，所述能量收集电路为桥式整流电路。

进一步的，所述电能存储器件为电池或超级电容器。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明以悬臂梁为基础能量收集结构，附加质量块与压电片，结构简单，易于设计与制作，成本低，并且，撞击梁与悬臂梁的质量块在运动过程中产生碰撞，可以拓宽收集频带，从而可以针对多种车速进行能量收集；以能量收集的方法为传感器供电，解决了传统车轮无线传感器需要经常更换电池的问题；

2、本发明未引入电磁材料，对车轮附近的电磁原理传感器的工作不造成影响。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1是本发明实施例提供的汽车轮辋宽频带压电能量收集装置的在车轮中的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的汽车轮辋宽频带压电能量收集装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的汽车轮辋宽频带压电能量收集装置输出功率曲线图；

图中：

1、车轮 2、轮辋辐条

2-1、基座 2-2、悬臂梁 2-3、压电片

2-4、质量块 2-5、撞击梁 2-6、能量收集电路

2-7、电能存储器件 2-8、车轮无线传感

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面就结合图1至图3来具体说明本发明。

实施例1

图1是本发明实施例提供的汽车轮辋宽频带压电能量收集装置的在车轮中的结构示意图；图2是本发明实施例提供的汽车轮辋宽频带压电能量收集装置的结构示意图；图3是本发明实施例提供的汽车轮辋宽频带压电能量收集装置输出功率曲线图；如图1～3所示，本实施例提供的一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，包括车轮1、轮辋辐条2、基座2-1、悬臂梁2-2、撞击梁2-5、压电片2-3、质量块2-4、能量收集电路2-6、电能存储器件2-7；

所述压电片2-3设置在悬臂梁2-2上，此实施例中可以考虑将压电片2-3粘贴在悬臂梁2-2表面，所述悬臂梁2-2一端与所述基座2-1固定连接，所述悬臂梁2-2另一端固定连接质量块2-4，所述撞击梁2-5一端固定设在基座2-1上，并与所述悬臂梁2-2平行排布，所述压电片2-3与能量收集电路2-6之间为电连接，所述能量收集电路2-6电连接电能存储器件2-7，所述电能存储器件2-7电连接车轮无线传感器2-8并为其供电；

所述悬臂梁2-2、撞击梁2-5、压电片2-3位于车轮轮辋的任一轮辋辐条2内，所述基座2-1固定在车轮轮辋内部靠近轮胎一侧，质量块2-4位于靠近车轮的中心；

所述悬臂梁2-2与压电片2-3的连接面与所述车轮圆形截面垂直。

需要指出的是，所述悬臂梁2-2采用非铁磁性金属；所述质量块2-4采用非铁磁性材料；所述撞击梁2-5采用非铁磁性金属材料，其长度与包含质量块2-4的悬臂梁一致，其宽度与悬臂梁2-2一致；所述压电片2-3采用压电陶瓷、粗压电纤维复合材料、聚偏氟乙烯中的任一种；所述能量收集电路2-6为本领域常用的桥式整流电路；所述电能存储器件2-7为电池或超级电容器。

需要说明的是，所述基座固定在车轮轮辋内部靠近轮胎一侧，质量块位于靠近车轮的中心，使得所述悬臂梁2-2、撞击梁2-5、压电片2-3位于车轮轮辋的任一轮辋辐条2内，从而可以不改变传统车轮结构，对车轮正常运转无影响。

其中，车轮无线传感器可以为汽车车轮可用的无线传感器，例如胎压监测传感器、温度传感器、振动传感器等，其所放置位置可以为轮辋辐条的内部或外部。

作为举例，在本发明中，利用车轮产生旋转，能量收集装置是车轮中常见的轮辋辐条结构，借助车轮的转动带动其他部件也一同运动；在此过程中，质量块由于重力作用将会呈现周期上下运动，在运动的过程中，质量块会与撞击梁产生碰撞，以改变系统的刚度，从而拓展悬臂梁的带宽，在运动的过程中，悬臂梁及压电片将会随振动产生形变，通过压电效应产生交变电压，再通过能量收集电路将其转换成电能，在电能存储器件中存储，以实现为车轮无线传感器供给能量。

在本实施例中，对不同车速进行了测试，并对各车速下的收集能量峰值进行记录，从图3可以看到，在50km/h-80km/h的范围内可获得3mW以上的能量，从而实现了较宽频带压电能量的收集。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，其特征在于：包括车轮、轮辋辐条、基座、悬臂梁、撞击梁、压电片、质量块、能量收集电路、电能存储器件；

所述悬臂梁与压电片的连接面与所述车轮圆形截面垂直。

2.根据权利要求1所述的一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，其特征在于：所述悬臂梁采用非铁磁性金属。

3.根据权利要求2所述的一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，其特征在于：所述质量块采用非铁磁性材料。

4.根据权利要求3所述的一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，其特征在于：所述撞击梁采用非铁磁性金属材料，其长度与包含质量块的悬臂梁一致，其宽度与悬臂梁一致。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，其特征在于：所述压电片采用压电陶瓷、粗压电纤维复合材料、聚偏氟乙烯中的任一种。

6.根据权利要求5所述的一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，其特征在于：所述能量收集电路为桥式整流电路。

7.根据权利要求6所述的一种汽车轮辋宽频带压电能量收集装置，其特征在于：所述电能存储器件为电池或超级电容器。