CN113315257B - 一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置 - Google Patents

一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，包括有：发射端和接收端；以及逆变器，用于将输入至发射端的高频直流电压转变为高频交流电压；且高频交流电压能在发射线圈侧产生高频交变磁场，以及接收线圈在高频交变磁场的作用下能产生同频率的感应高频交流电压和感应高频交流电流；谐振网络电路，与逆变器连接，用于发生并联谐振，过滤无功电流；整流桥电路，与谐振网络电路连接，用于将感应高频交流电压和感应高频交流电流转换为给胎压传感器供电的直流电压和直流电流。本发明能够稳定地为胎压传感器供电，能够减小胎压传感器输出电压的波动；并且本发明可以降低胎压传感器的维护成本，减少电池更换次数，更加环保。

Description

一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置。
背景技术
随着社会的发展，越来越多的人使用小轿车为代步工具，车的数量急剧增加。车流量加大致使交通事故发生率增加，也导致路面情况变差。根据交管部门提供的数据可知，在我国高速公路上，每年发生的交通事故有46％是由于轮胎故障引起的，而常见的轮胎故障包括轮胎漏气、爆胎等胎压不稳定状况，为有效监测胎压是否处于正常范围，广泛地在车上安装胎压监测系统，当轮胎气压过低或漏气时，系统会自动报警，以此用于保证驾驶过程中司机的安全性和在不同路况下行驶的舒适性，既保证司机的人身安全，也可有效减少驾驶带来的疲惫感。
(1)胎压监测系统工作需要电池提供电源，而使用传统的一次性电池给胎压监测系统供电，需要经常更换以及进行定期维护。且在汽车行驶过程中，轮胎与路面摩擦会产生大量热量，轮胎内部温度升高，高温环境会对电池寿命产生影响，电池的损耗加快。若未能在电池电量耗尽后及时更换，导致胎压监测系统无法正常工作，这将对驾驶过程中司机的安全造成巨大威胁，因此考虑以车载电源给胎压监测系统供电。胎压监测系统装置常设置于轮胎气门芯或轮毂上，若以车载电源给胎压监测系统供电，则需两根长导线与胎压监测系统连接。若通过长导线将车载电源与胎压监测系统相连，在车辆行进过程中，胎压监测系统随着车轮的旋转而旋转，此时长导线会给车辆运行带来巨大阻碍，因此电池与胎压监测系统的有线连接无法投入实际应用，故而考虑采用无线供电系统给胎压监测系统供电。
(2)当采用无线装置给胎压传感器供电时，发射端与接收端由于刹车片的存在，可能会导致发射端发送的信号无法达到接收端侧，即不能做到在任何旋转情况下发射端与接收端都能互相感应传输能量。例如当接收端恰好于刹车片所在位置处时，此时胎压监测系统的供电不稳定，会出现功率缺失、输出波动的现象。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，用于解决采用无线供电系统给胎压监测系统供电时，因为胎压监测系统的供电不稳定而出现功率缺失、输出波动的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，包括有：
发射端，所述发射端包括：发射线圈、发射端谐振电感、发射线圈寄生电感、发射端并联谐振电容和发射端补偿电容；
接收端，所述接收端包括：接收线圈、接收线圈寄生电感和接收端补偿电容；
逆变器，用于将输入至发射端的高频直流电压转变为高频交流电压；且所述高频交流电压能在所述发射线圈侧产生高频交变磁场，以及所述接收线圈在所述高频交变磁场的作用下能产生同频率的感应高频交流电压和感应高频交流电流；
谐振网络电路，与所述逆变器连接，用于发生并联谐振，过滤无功电流；
整流桥电路，与所述谐振网络电路连接，用于将所述感应高频交流电压和所述感应高频交流电流转换为给所述胎压传感器供电的直流电压和直流电流。
可选地，所述装置还包括有：滤波电容，所述滤波电容与所述整流桥电路并联，用于对所述直流电压和所述直流电流进行滤波，并将滤波后的直流电压和直流电压传输给所述胎压传感器，完成对所述胎压传感器的供电。
可选地，所述逆变器包括第一NPN型MOS管、第二NPN型MOS管、第三NPN型MOS管和第四NPN型MOS管；
所述第一NPN型MOS管的集电极与所述高频直流电压的正极连接，所述第一NPN型MOS管的发射极与所述第二NPN型MOS管的集电极连接；
所述第二NPN型MOS管的发射极分别与所述高频直流电压的负极、所述第四NPN型MOS管的发射极连接；
所述第三NPN型MOS管的集电极与所述第一NPN型MOS管的集电极连接，所述第三NPN型MOS管的发射极与所述第四NPN型MOS管的集电极连接。
可选地，若所述接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈，所述接收线圈寄生电感包括第一接收线圈寄生电感和第二接收线圈寄生电感；则在所述谐振网络电路中，有：
w2LeCe＝1；
w2(LT-Le)CT＝1；
w2(LR1+LR2)CR＝1；
式中，w＝2πf；
f为无线供电装置的工作频率；
w为无线供电装置的角频率；
Le为发射端谐振电感；
Ce为发射端并联谐振电容；
LT为发射线圈寄生电感；
Le为发射端谐振电感；
CT为发射端补偿电容；
LR1为第一接收线圈寄生电感；
LR2为第二接收线圈寄生电感；
CR为接收端补偿电容。
可选地，还包括：
获取滤波后的直流电压和直流电流，并根据滤波后的直流电压和直流电压确定出所述胎压传感器与所述无线供电装置的关系，有：
Figure GDA0003990148150000041
/>
Figure GDA0003990148150000042
MSUM＝M1+M2；
当UDC与Le一定时，UL仅与互感总值MSUM有关；
当MSUM一定时，所述胎压传感器上的输出电压为确定值；
式中，
Figure GDA0003990148150000043
为发射端电流的相量形式；
Figure GDA0003990148150000044
为逆变器输出电压的相量形式；
UL为整流桥输出电压；
UDC为输入发射端的高频直流电压；
M1为发射线圈与第一接收线圈之间的互感；
M2为发射线圈与第二接收线圈之间的互感；
MSUM为发射线圈与接收线圈之间的互感总和；
Le为发射端谐振电感；
j为虚数；
XLe为发射端谐振电感Le的电抗，其中，XLe＝wLe。
可选地，所述发射端设置于轮毂上；
当原接收端为单接收端，以及所述原接收端位于刹车片时；增设一个与所述原接收端对称的新接收端，并根据所述新接收端和所述原接收端共同构成一个双接收端，以及固定所述发射端在所述轮毂上的位置，使固定后的发射端所覆盖的角度为所述轮毂圆周角度的二分之一。
可选地，当所述发射端位于所述双接收端的中点位置时，调整所述中点位置的互感，直至调节后的所述中点位置的互感值与目标互感值相等；其中，所述目标互感值为所述发射端与其中一个接收端完全正对时的互感值。
可选地，所述接收端为N个接收端，N为正整数。
如上所述，本发明提供一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，具有以下有益效果：本发明中的无线供电装置能够稳定地为胎压传感器进行供电，且能够减小胎压传感器输出电压的波动；并且本发明中的无线供电装置可以降低胎压传感器的维护成本，减少电池更换次数，更加环保。
附图说明
图1为一实施例提供的无线供电装置的电路连接示意图；
图2为一实施例提供的发射端与接收端的位置结构示意图；
图3为一实施例提供的发射端与接收端的互感变化趋势图；
图4为一实施例提供的发射端角度与接收端的互感变化趋势图；
图5为一实施例提供的调整发射端角度的示意图；
图6为另一实施例提供的调整发射端角度的示意图；
图7为采用N个接收端时的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在一示例性实施例中，本发明提供一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，包括：
发射端，所述发射端包括：发射线圈、发射端谐振电感、发射线圈寄生电感、发射端并联谐振电容和发射端补偿电容；
接收端，所述接收端包括：接收线圈、接收线圈寄生电感和接收端补偿电容；
逆变器，用于将输入至发射端的高频直流电压转变为高频交流电压；且所述高频交流电压能在所述发射线圈侧产生高频交变磁场，以及所述接收线圈在所述高频交变磁场的作用下能产生同频率的感应高频交流电压和感应高频交流电流；
谐振网络电路，与所述逆变器连接，用于发生并联谐振，过滤无功电流；
整流桥电路，与所述谐振网络电路连接，用于将所述感应高频交流电压和所述感应高频交流电流转换为给所述胎压传感器供电的直流电压和直流电流。
根据上述记载以及图1可知，无线供电装置的工作原理如下：输入发射端的高频直流电压UDC通过逆变器转变为高频交流电压UIN，高频交流电压UIN可以为LCC-S谐振网络供电；且LCC-S结构中的Le和Ce能够发生并联谐振，过滤无功电流。高频交流电压UIN能够使发射端线圈侧的周围产生高频交变磁场，与此同时接收端线圈在高频交变磁场的作用下会产生同频率的感应高频交流电压UR和感应高频交流电流IR，感应产生的感应高频交流电压UR和感应高频交流电流IR将会通过整流桥交流电量转换为直流电压和直流电流量，同时，与整流桥电路并联的滤波电容C会对转换后的直流电压和直流电流进行滤波，然后将滤波后的直流电压和直流电压输出给胎压传感器，完成对胎压传感器的供电。所以，无线供电装置通过发射端线圈与接收端线圈相互耦合传输能量，使发射端能量传输至接收端，接收端通过整流滤波后得到稳定的直流电压和直流电流，为胎压传感器的工作提供稳定电源。在图1中，UDC为输入直流电压；IIN为逆变器输出电流；UIN为逆变器输出电压；IT为发射端电流；Ie为并联谐振电容电流；IR为接收端电流；UR为整流桥输入电压；UL为整流桥输出电压；ω为系统工作角频率；Le为发射端谐振电感；LT为发射线圈寄生电感；LR1为第一接收线圈寄生电感；LR2为第二接收线圈寄生电感；M1为发射线圈与第一接收线圈之间的互感；M2为发射线圈与第二接收线圈之间的互感；Ce为发射端并联谐振电容；CR为接收端补偿电容(即CR为接收线圈的补偿电容)；CT为发射端补偿电容(即CT为发射线圈LT的补偿电容)；C为整流桥滤波电容；RL为负载电阻；CR1、CR2是接收线圈LR的补偿电容。
根据上述记载和图1所示，所述逆变器包括第一NPN型MOS管S1、第二NPN型MOS管S2、第三NPN型MOS管S3和第四NPN型MOS管S4；
所述第一NPN型MOS管S1的集电极与所述高频直流电压的正极连接，所述第一NPN型MOS管S1的发射极与所述第二NPN型MOS管S2的集电极连接；
所述第二NPN型MOS管S2的发射极分别与所述高频直流电压的负极、所述第四NPN型MOS管S4的发射极连接；
所述第三NPN型MOS管S3的集电极与所述第一NPN型MOS管S1的集电极连接，所述第三NPN型MOS管S3的发射极与所述第四NPN型MOS管S4的集电极连接。
根据图1所示，接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈，所述接收线圈寄生电感包括第一接收线圈寄生电感和第二接收线圈寄生电感。在所述谐振网络电路中，根据电路谐振有：
w2LeCe＝1；
w2(LT-Le)CT＝1；
w2(LR1+LR2)CR＝1；
式中，w＝2πf；
f为无线供电装置的工作频率；
w为无线供电装置的角频率；
Le为发射端谐振电感；
Ce为发射端并联谐振电容；
LT为发射线圈寄生电感；
Le为发射端谐振电感；
CT为发射端补偿电容；
LR1为第一接收线圈寄生电感；
LR2为第二接收线圈寄生电感；
CR为接收端补偿电容。
根据图1所示，由电路基本原理，有：
Figure GDA0003990148150000081
式中，
Figure GDA0003990148150000082
为UIN，IT，Ie，IR，UR的相量形式，XCe＝1/wCe，XM1＝wM1，XM1＝wM2，REQ＝8RL(π2)-1，各参数可由以上两组方程计算获得。
根据上述记载，在一示例性实施例中，还包括：获取滤波后的直流电压和直流电流，并根据滤波后的直流电压和直流电压确定出胎压传感器与无线供电装置的关系，有：
Figure GDA0003990148150000083
Figure GDA0003990148150000084
定义互感总值：MSUM＝M1+M2；
式中，
Figure GDA0003990148150000085
为发射端电流的相量形式；
Figure GDA0003990148150000086
为逆变器输出电压的相量形式；
UL为整流桥输出电压；
UDC为输入发射端的高频直流电压；
M1为发射线圈与第一接收线圈之间的互感；
M2为发射线圈与第二接收线圈之间的互感；
MSUM为发射线圈与接收线圈之间的互感总和；
Le为发射端谐振电感；
j为虚数；
XLe为发射端谐振电感Le的电抗，其中，XLe＝wLe。
根据上式可知，当UDC与Le一定时，UL仅与互感总值MSUM有关；当MSUM一定时，所述胎压传感器上的输出电压为确定值，因此可保证无线供电装置输出给胎压传感器的电压为稳定值。
在一示例性实施例中，已知发射端置于轮毂内部，环绕整个轮毂布置，但刹车片所处位置无法布置发射端。当为单接收端，且接收端恰好处于刹车片所在位置时，发射端与接收端无法互相感应传输能量，此时出现能量传输缺失现象，导致胎压传感器无线供电系统输出波动。因此为了抑制输出波动，本实施例采取的优化方法为：当原接收端为单接收端，以及原接收端位于刹车片时；增设一个与原接收端对称的新接收端，并根据新接收端和原接收端共同构成一个双接收端，以及固定发射端在轮毂上的位置，使固定后的发射端所覆盖的角度为轮毂圆周角度的二分之一。即为了抑制输出波动，将单接收端结构改为对称双接收端结构，并将两接收端对称布置，同时发射端在轮毂上为圆周的一半(对应角度θT＝180°)。在双接收端结构下，发射端在任何旋转状况下都能与接收端产生互感，从而避免了能量传输缺失现象。
如图3所示，在任何旋转情况下互感的变化是连续的，且在发射端处于关于两对称接收端的中点位置时，MSUM的波动幅度最大。由于MSUM与UDC成正比，当MSUM有较大波动时，UDC也有波动，即在发射端角度为180°时，胎压传感器无线供电装置的输出仍然存在波动。在图3中，M1所对应的图线表示发射端与第一接收端的互感变化趋势图线，M2所对应的图线表示发射端与第二接收端的互感变化趋势图线，MSUM所对应的图线表示发射端与二者互感总和的变化趋势图线。
由于在旋转过程中发射端与接收端的互感是连续变化的，并且由图3可知，在发射端处于两对称接收端中点处的互感波动最大。所以，为了进一步减小系统输出的波动率，当发射端位于双接收端的中点位置时，调整中点位置的互感，直至调节后的中点位置的互感值与目标互感值MO相等；其中，目标互感值MO为发射端与其中一个接收端完全正对时的互感值。由图4可知，发射端处于两对称接收端中点处的互感随发射端长度线性变化，因此可在图4中找到一点使得下式成立：
Figure GDA0003990148150000101
式中，δ为发射端叠加调整角度。最终通过调整发射端对应的角度为θT，可实现输出波动最小。其中，发射端调整角度的示意图如图5和图6所示。
为了进一步减小胎压传感器无线供电装置的体积与重量，以减轻对原车辆系统的影响，在一示例性实施例中，还可以采用N个接收端的结构。如图7所示，当采用N个接收端结构时，可减小对应的发射端在轮毂上的角度θT，可表示为θT＝(1/N)2π+δ1。其中，此处的δ1为根据胎压传感器与无线供电装置的关系中的优化方法对发射端长度的叠加调整角度。
综上所述，本发明中的无线供电装置能够稳定地为胎压传感器进行供电，且能够减小胎压传感器输出电压的波动；并且本发明中的无线供电装置可以降低胎压传感器的维护成本，减少电池更换次数，更加环保。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，其特征在于，包括有：
发射端，所述发射端包括：发射线圈、发射端谐振电感、发射线圈寄生电感、发射端并联谐振电容和发射端补偿电容；
接收端，所述接收端包括：接收线圈、接收线圈寄生电感和接收端补偿电容；
逆变器，用于将输入至发射端的高频直流电压转变为高频交流电压；且所述高频交流电压能在所述发射线圈侧产生高频交变磁场，以及所述接收线圈在所述高频交变磁场的作用下能产生同频率的感应高频交流电压和感应高频交流电流；
谐振网络电路，与所述逆变器连接，用于发生并联谐振，过滤无功电流；
整流桥电路，与所述谐振网络电路连接，用于将所述感应高频交流电压和所述感应高频交流电流转换为给所述胎压传感器供电的直流电压和直流电流；
所述接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈，所述接收线圈寄生电感包括第一接收线圈寄生电感和第二接收线圈寄生电感；则在所述谐振网络电路中，有：
w2LeCe＝1；
w2(LT-Le)CT＝1；
w2(LR1+LR2)CR＝1；
式中，w＝2πf；
f为无线供电装置的工作频率；
w为无线供电装置的角频率；
Le为发射端谐振电感；
Ce为发射端并联谐振电容；
LT为发射线圈寄生电感；
CT为发射端补偿电容；
LR1为第一接收线圈寄生电感；
LR2为第二接收线圈寄生电感；
CR为接收端补偿电容。
2.根据权利要求1所述的适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，其特征在于，所述装置还包括有：滤波电容，所述滤波电容与所述整流桥电路并联，用于对所述直流电压和所述直流电流进行滤波，并将滤波后的直流电压和直流电压传输给所述胎压传感器，完成对所述胎压传感器的供电。
3.根据权利要求1所述的适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，其特征在于，所述逆变器包括第一NPN型MOS管、第二NPN型MOS管、第三NPN型MOS管和第四NPN型MOS管；
所述第一NPN型MOS管的集电极与所述高频直流电压的正极连接，所述第一NPN型MOS管的发射极与所述第二NPN型MOS管的集电极连接；
所述第二NPN型MOS管的发射极分别与所述高频直流电压的负极、所述第四NPN型MOS管的发射极连接；
所述第三NPN型MOS管的集电极与所述第一NPN型MOS管的集电极连接，所述第三NPN型MOS管的发射极与所述第四NPN型MOS管的集电极连接。
4.根据权利要求2所述的适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，其特征在于，还包括：
获取滤波后的直流电压和直流电流，并根据滤波后的直流电压和直流电压确定出所述胎压传感器与所述无线供电装置的关系，有：
Figure FDA0003990148140000021
Figure FDA0003990148140000022
MSUM＝M1+M2；
当UDC与Le一定时，UL仅与互感总值MSUM有关；
当MSUM一定时，所述胎压传感器上的输出电压为确定值；
式中，
Figure FDA0003990148140000031
为发射端电流的相量形式；
Figure FDA0003990148140000032
为逆变器输出电压的相量形式；
UL为整流桥输出电压；
UDC为输入发射端的高频直流电压；
M1为发射线圈与第一接收线圈之间的互感；
M2为发射线圈与第二接收线圈之间的互感；
MSUM为发射线圈与接收线圈之间的互感总和；
Le为发射端谐振电感；
j为虚数；
XLe为发射端谐振电感Le的电抗，其中，XLe＝wLe。
5.根据权利要求1所述的适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，其特征在于，所述发射端设置于轮毂上；
当原接收端为单接收端，以及所述原接收端位于刹车片时；增设一个与所述原接收端对称的新接收端，并根据所述新接收端和所述原接收端共同构成一个双接收端，以及固定所述发射端在所述轮毂上的位置，使固定后的发射端所覆盖的角度为所述轮毂圆周角度的二分之一。
6.根据权利要求5所述的适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，其特征在于，当所述发射端位于所述双接收端的中点位置时，调整所述中点位置的互感，直至调节后的所述中点位置的互感值与目标互感值相等；其中，所述目标互感值为所述发射端与其中一个接收端完全正对时的互感值。
7.根据权利要求1所述的适用于胎压传感器的旋转无线供电装置，其特征在于，所述接收端为N个接收端，N为正整数。
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