CN115515804A - 用于轮胎压力和磨损检测的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测轮胎的压力和磨损状况的系统，其包括定位在车辆的每个车轮中的模块。该模块包括传感器、处理器、920发送器和用于给模块供电的电源。来自每个车轮中的传感器的输出被馈送到每个车轮的处理器以用于数据处理，并且数据由每个车轮中的发送器传输到位于车轮外部的接收器和数据处理器。数据处理器被设计成分析从模块接收到的处理数据，基于所存储的信息并且通过将来自第一车轮的处理数据与来自第二车轮的处理数据进行比较来提供警报。

Description

用于轮胎压力和磨损检测的系统
相关申请
本申请是2020年5月5日提交的美国专利申请第16/866,581号的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及一种用于检测车轮轮胎处的压力和磨损状况的系统。
发明领域
汽车轮胎状况监控是影响驾驶安全、燃料经济性/能量消耗的重要因素，燃料经济性/能量消耗影响CO2和NOx排放。当考虑轮胎在燃料经济性中的作用时，注意到汽车轮胎在任何地方的滚动阻力消耗该车所用能量的20％到50％。如果可以将客车轮胎的滚动阻力削减10％，则油气里程将提高3％。据估计，1％至5％的滚动阻力源于空气动力阻力。另外9％至10％来自道路摩擦。剩余的85％-95％是由于材料的内摩擦或迟滞。当车辆移动时通过轮胎弯曲来控制材料迟滞可以降低滚动阻力并且改善燃料消耗。
影响滞后损失的关键因素有多种。其中几种可以由本发明中描述的系统和方法控制并且在下面详细描述：
充气压力：对滚动阻力影响最大的因素是轮胎压力。随着压力增大，轮胎变得更圆，接近完美的圆，并且这降低了阻力。轮胎也变得更硬，因此弯曲较小。然而，较高的充气压力也影响操控和行驶，因此轮胎不应只是过度充气。
滑移角：轮胎平面与汽车行驶方向之间的角度称为滑移角或擦洗角。当汽车转弯时，它会增加。滑移角越大，滚动阻力越高。前束角即前轮的平面朝向车辆的中心线呈角度的量，改善了驾驶稳定性，但是增加了滚动阻力。除了确保车辆的车轮保持正确对准之外，可以很小程度地降低由滑移角引起的阻力。
轮胎腐损：橡胶和塑料材料根据气候、温度和湿度、车辆的使用和储存以及轮胎的气压水平在5至6年的时间内自然降解。干腐由轮胎上的硬和脆表面表示。随着橡胶中的油开始蒸发，化学键分解，留下干燥的轮胎。干腐的最常见原因包括轮胎的低充气，储存在过热的地方和缺乏使用。持续暴露在阳光下可以加速干腐对轮胎的影响。
胎面深度：滚动阻力随着轮胎磨损而降低。这是因为随着轮胎材料的弯曲然后回弹的量减少，滞后损失也减少。剩余胎面的厚度影响轮胎在运行的热量和应变下如何弯曲，从而影响车辆的燃料消耗。胎面越小和越浅，滚动阻力越低，但是湿抓地力也越差。这种磨损的轮胎不再能防止打滑并且不能提供短的制动距离。米其林轮胎制造商指出，随着轮胎胎面深度减小，车辆的燃料经济性将随着滚动阻力随着胎面深度减小而降低来改善。轮胎在法定胎面限制的去除点处的滚动阻力是轮胎新状态的80％。因此，将轮胎保持在车辆上直到在法定胎面磨损限制之前增加了轮胎处于其最高燃料效率状态的时间并且减少了汽车驾驶员的燃料账单。在任何情况下，对轮胎状况的密切监控允许轮胎的低功耗范围的充分使用，并且因此减少燃料消耗。
轮胎压力、胎面磨损、轮胎层分离和对准是燃料经济性、事故、导致高速公路污染的轮胎橡胶爆裂、降低商业卡车运输效率等的主要因素。监控和维护轮胎磨损将增强公共安全，因为许多事故由磨损/爆炸的轮胎引起。另外，卡车/公共汽车停机时间对于操作者来说是昂贵的，因此本发明将提高车辆使用的效率。
在电动车辆(EV)的情况下，改善燃料经济性意味着车辆的更长的行驶范围或更高的电池充电状态。提高EV里程意味着公用事业发电机的电力和负荷较少，而公用事业发电机本身通常是排放源。
当前，车辆装备有胎压监测系统(TPMS)，其被构建在轮胎内部并且无线地传输压力(用轮胎内部的空气温度补偿)以允许车辆控制器监控轮胎的压力。TPMS包括寿命约为5年的电池。为了监控更多的轮胎特性，在轮胎内需要更多传感器。对此的挑战在于缺乏合理的能源来为这些传感器供电并且无线地传输数据。
假设车辆每年行驶的距离是20,000km，并且轮胎最大使用量是50,000km。在这种情况下，轮胎寿命约为2.5年。假设该汽车每天使用6小时，这对于出租车或工作车辆是典型的。轮胎跟踪系统工作的小时数在一年内约为2000小时，在2.5年内约为5000小时。如果该系统平均消耗10mW并且工作电压是3.7V，则所需的电池在10,000mAh的范围内。
对于具有以下假设的卡车：平均每年行程为90,000km，轮胎最大使用量为150,000km，平均每日行驶时间为7小时。我们发现，总行驶时间约为4000小时，并且所需的电池也在10,000mAh的范围内。
这种也可以在极端温度下工作的大型电池是大的、笨重的和昂贵的，并且不能安装在旋转轮内，因此，在本发明的一个实施例中提出的解决方案是使用能量收集器，该能量收集器结合小型一次电池和电容器从轮旋转中收集能量。
现有技术
已经公布了一些旨在提供感测轮胎状况的传感器的专利。1995年提交的专利号CA2214700C讨论了轮胎内传感器根据来自轮胎外部的接收器的请求将数据发送到该接收器。本专利已到期。
专利号WO 2013/114388A1包括轮胎压力优化系统(TPOS)和轮胎压力控制单元(TPCU)。SATPOS通过智能地感测、执行情境感知计算，并且指示TPCU在正确的时间和压力以及正确的轮胎中，即时控制轮胎压力，以减少紧急情况的出现。TPOS执行感测、预计算、用于在临界情况期间控制轮胎压力的当前计算、在相应地克服该临界情况之后后进行后计算以优化轮胎压力。
专利号TW 499372B讨论了一种使用感测轮胎的径向和横向加速度中的至少一个以提供加速信号的传感器来监控胎面磨损、避震器性能、车辆轮胎的平衡状况和/或车轮的旋转速度的系统和方法。为了监控胎面磨损，提供了至少一个处理器，该处理器回应来自传感器的加速信号并且确定轮胎的径向和横向加速度中的至少一个的至少一个共振频率，使用径向和/或横向加速度信号的快速傅立叶变换(FFT)来确定30-60Hz范围内的共振频率，将所确定的至少一个共振频率与指示没有轮胎磨损的存储频率进行比较以确定频移，以及基于该频移来确定轮胎胎面磨损，并且提供指示被传输到驾驶员信息显示器的轮胎胎面磨损的信息信号。
专利号WO 2018/137920 A1描述了一种用于通过轮胎产生的声学噪声来评估轮胎磨损的系统和方法。该系统包括声学传感器、处理器和机器学习，该机器学习在收到包括车辆速度、车轮速度、发动机和车辆噪声的不同输入时确定每个轮胎的磨损程度。该系统向车辆的使用者提供轮胎或每个轮胎的磨损程度的输出。
专利号US2019/0001756A1讨论了一种用于使用固定到车辆轮胎胎面的一部分并且由外部导电聚合物组成的传感器来监控该胎面的状况的系统。来自传感器的数据被传输到数据处理单元，该数据处理单元使用算法来解释传感器读数的变化，以便确定胎面厚度。
专利号CN 2703664 Y描述了一种轮胎监控和显示设备，包括安装在车辆的车轮中的系统，其中该系统包括轮胎压力传感器、轮胎体积温度传感器、将轮胎压力和温度传输到轮胎外部的接收器的数据处理器，以及为这些设备供电的电源。当车辆的四个车轮中的任何一个的轮胎压力或温度偏离标准值时，系统报警。当电源的电力低时，系统也报警。
由于轮胎内部有限的可用电力，上述专利提供的感测轮胎状况手段有限。本发明是一种无线的、多传感器的解决方案，不需要非常大的电池，通过安装在轮胎内部的能量收集器而实现的实时的汽车轮胎磨损、压力监控和管理。
附图的简要描述
图1-本发明的示意性描述
图2-作为时间和行进距离的函数的轮胎特性的示意性描述
图3-在轮胎内部使用的可能传感器
图4-电源的实施例
图5-电源的实施例
图6a和6b-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于压电的能量收集器的实施例
图6C描绘了安装在轮胎上的能量收集器(22)。
图7a和图7b-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于热电的能量收集器的实施例
图8a-8b-在轮胎内使用的电磁能量收集器的现有技术。
图9a-9c-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于电磁的能量收集器的实施例，
图10-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于电磁的能量收集器的实施例
图11a和11b-图9中的实施例的描述
图12-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于电磁的能量收集器的实施例
图13a和13b-图11中的实施例的描述
图14-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于电磁的能量收集器的实施例
图15-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于电磁的能量收集器的实施例
图16-作为用于给轮胎内的设备供电的电源的基于电磁的能量收集器的实施例
图17A-17L-用于从轮胎或从轮辋收集功率的电磁能量收集器的实施例图18-用于从轮胎弯曲收集功率的电磁能量收集器的实施例
图19-用于从轮胎弯曲收集功率的电磁能量收集器的实施例
图20a-20c-用于从轮胎弯曲收集功率的电磁能量收集器的实施例
具体实施方式
本发明是关于一种用于检测轮胎的压力和磨损状况的系统。本发明的一个实施例是一种用于检测至少第一车轮轮胎(2a)和第二车轮轮胎(2b)的压力和磨损状况的系统(1)，如图1所示。该系统包括被设计成定位在第一轮(21a)的内部的第一模块(3)和被设计成定位在第二轮(21b)的内部的第二模块(3)，其中每个模块包括传感器(31)、模块处理器(32)、模块发送器(35)和用于给传感器，模块处理器和模块发送器供电的电源(34)。该系统还包括远程接收器(4)和数据处理器(5)，远程接收器(4)和数据处理器(5)被设计成定位在车轮外部。每个车轮的传感器的输出可以被馈送到该车轮的模块处理器，并且每个车轮的模块发送器将处理数据传输到远程接收器。数据处理器被设计成分析接收到的处理数据，并且基于将来自第一轮的处理数据与来自第二轮的处理数据进行比较来提供警报。警报可以包括任何技术服务，包括轮胎更换或不适当的轮胎压力不平衡或不适当的轮胎滑移角或其它不适当的轮胎状态，以及与驾驶安全和燃料消耗相关的警告警报。
在一个实施例中，从每个车轮接收到的数据可以被视为一串时间相关值dij(t，L)，其中dij是指由轮胎j中的传感器i接收到的数据，t是指时间，并且L是指在车辆使用时特定轮胎行进的距离。通过比较不同轮胎中的传感器的值，即dij(t，L)-dik(t，L)或dij(t，L)/dik(t，L)，可以得出关于轮胎状况的结论。
在另一个实施例中，轮胎的值dij(t，L)通过长时间段(t)和距离(L)并且从几个轮胎中被收集，使得可以获得统计3D地图，如图2中示意性示出。该3D映射具有由+Δdij(t，L)-Δdij(t，L)例示的统计变化，其可以表示正常统计并且可以是t和L的函数。在图2中，值dij(t1，L1)表示dij在时间t1和距离L1的正常值。高于某个值的偏差+σdij(t，L1)或低于某个值的偏差-σdij(t1，L1)可以被系统识别为“非正常行为”，并且将警告用户。
例如，轮胎的振动可以具有可以随时间和行进距离而改变的特定频谱。振动谱也可以取决于温度。温度具有随着时间推移而降低轮胎的累积效应。为了考虑温度，可以定义温度应力函数St，T。
St，T的一种可能形式是
Figure BDA0003926541790000061
其中A是常数，t是轮胎温度暴露于其中温度被分成由T1....TN表示的分段的时间。x和y是可以取决于轮胎和诸如时间的环境参数的参数常数。
描述温度的影响的另一种方式是通过Arrhenius函数，使得
Figure BDA0003926541790000062
其中，B是常数，k是玻尔兹曼常数，并且Ea，i是故障i的激活能量。
当考虑温度时，图2所示的3D示意图变成4D示意图，使得dij(t，L，S)。该dij(t，L，S)，其中“i”可以例如大到5个传感器，其中每个传感器可以在几个维度中描述。这种系统的多维度描述可以被简化，例如通过使用减少系统的维数并且提供轮胎问题的快速识别的主成分分析(PCA)。可以通过使用诸如神经网络或异常分析的其它方法来进行简化。
参考图3，其教导模块中的传感器可以是压力传感器(311)、体积温度传感器(312)、轮胎材料温度传感器(313)、振动传感器(314)、轮胎胎面厚度传感器(315)和轮胎干燥度传感器(316)。
在一个实施例中，电源(34)可以是一次电池。在另一个实施例中，电源(34)包括能量收集器(343)、功率管理电路(345)和能量存储设备(341)，如图4所示。在这种情况下，能量收集器从车轮的旋转中收集能量，并且其中所收集的能量由功率管理电路管理以产生对能量存储设备进行充电的调节功率。能量存储设备可以是可再充电电池或电容器。
在另一个实施例中，如图5所示，电源(34)包括一次电池(347)和能量收集器(343)、电容器(346)和功率管理电路(345)，使得能量收集器从车轮的旋转中收集能量，并且所收集的能量由功率管理电路管理以产生对电容器(346)进行充电的调节功率。以及使得传感器中的至少一个被设计成根据由模块处理器(32)所控制的充电方案由电容器或由一次电池选择性地供电。
在市场上可买到适合极端工作温度的电容器和一次电池。另一方面，可充电电池通常可以在有限温度范围内工作。上述实施例将传感器划分为需要高采样率或者即使在汽车不移动或者以非常低的速度移动时需要的传感器类型A和需要低采样率或者在汽车静止或非常慢移动时不需要使其活动的传感器类型B；在这种情况下，电容器功率传感器类型B只要具有足够功率，而一次电池对传感器类型A供电。当汽车开始移动时，电容器(346)开始充电。一旦电容器(346)中的电荷高于预定值，模块处理器(32)也通过电容器(346)断开一次电池(347)和功率传感器类型A。当电容器(346)中的电荷下降到低于预定值时，模块处理器(32)断开电容器(346)与供电传感器类型A，并且改为连接一次电池(347)。
传感器类型A例如可以是压力传感器，如由一次电池供电的当前可用的胎压监测系统(TPMS)。传感器类型B可以例如与轮胎温度，振动或干燥有关。
在本发明的另一个实施例中，只有当车轮旋转速度高于预定每分钟转数(RPM)即等于车辆速率10km/hr时，传感器中的一些才可以被供电。
在另一个实施例中，模块可以位于轮胎上或轮胎的轮辋上，或者它可以取决于传感器的数量在轮胎和轮辋之间划分。
在不同实施例中讨论的能量收集器可以例如使用压电，电磁，热或其它将一种形式的能量转换为电能的方法。
参照图6a，图6a示意性地图示了压电能量收集器(21)，该压电能量收集器(21)可以用作轮胎内的设备的电源，如由诸如WO2008/034825A1,WO2001/080327A1,CN1852017A的几个专利申请所建议。该收集器利用压电材料的弯曲来收集能量。压电收集器包括封装在两个电极(21B)和(21C)之间的压电层(21A)，其中在能量收集器(21)弯曲时产生功率。当轮胎随着它在地面上滚动时在压电收集器的位置处弯曲时，压电设备可以结合到轮胎(500)并且发电。
参照图6b，图6b示意性地图示了另一个压电能量收集器(22)，该压电能量收集器(22)用于转换在车轮旋转的同时振动的悬挂在弹簧(222)上的地震质量块(221)中的机械能，如图6b所示。在这种情况下，能量收集器(22)可以安装在轮胎上或在轮胎的轮辋上，如图6C所示。
参考图7a，图7a示意性地图示了可以用作轮胎内的设备的电源的热电能量收集器(23)。这种收集器在专利号CN 205365242 U中建议。该收集器基于热元件(23A)的两侧(23B)和(23C)之间的温度差。热电收集器(23)可以固定到轮胎并且使用轮胎内侧和用作储存器的道路之间的温度差。或者，热电能量收集器(23)可以固定到轮辋，并且从轮胎内侧和轮辋之间的温度差来收集能量，该轮辋在车轮旋转期间被冷却并且用作储存器。这两个选项在图7B中例示。
参考图8a，图8a示出Stefano Tornincasa等人在标题为“Energy harvester forvehicle tires:Nonlinear dynamics and experimental results”的论文中公开的能量收集器(24)的一般设置。移动磁体(241)在导向件(242)内滑动，两个串联连接的线圈(243和244)围绕导向件(242)以相反方向缠绕，使得它们的电动势相加。预载固定磁体(245)放置在下盖中以将浮动磁体推向上盖。两个橡胶缓冲器(246和247)被粘在这些盖的内表面上，以避免移动磁体(241)和端部冲程之间的破坏性冲击。浮动磁体在导向件(242)中的移动改变线圈中的磁链并且产生可用于向电负载供电的电动势。Mann和Sims在标题为“Energy harvesting from the nonlinear oscillations of magnetic levitation”的论文中提出并且分析了类似结构，其使用对称预载，使得预载磁体固定到上盖和下盖。
参考图8b，图8b例示了安装在轮胎上的能量收集器24。作为离心力的结果，移动磁体241被推向固定磁体245。这在图中由位置1指示。当收集器到达位置3时，轮胎变平并且离心力下降到零，并且移动磁体被固定磁体沿着导向件(242)推动，在此期间在线圈中发电。注意，随着速率增加，收集器在平坦区域中的时间变小，因此磁体的响应时间下降，并且所产生的功率也下降。在本论文中示出对于特定的设计，所产生的功率以3mW为界并且在100kmh的车速附近开始下降。
注意，图8a中描述的能量收集器利用离心力将自由磁体推向固定磁体。离心力是使这种收集器工作所需的。一旦离心力达到零，在轮胎的平坦部分处，自由磁体被固定磁体拒绝，并且能量收集发生。注意，随着速度增加，离心力也增加，但是在离心力再次作用之前，轮胎的平坦部分(其中发生能量收集)变得比自由磁体移动的响应时间太长而不能允许足够的磁体移动的点更窄。
参考图9a和9b，图9a和9b示意性地图示了电磁能收集器的一个实施例，该电磁能收集器可以用作轮胎内的设备的电源。附接到轮胎(500)的收集器由包括两个臂(10)和(20)的弯曲移动设备(1021)组成，这两个臂在一侧(101和201)上彼此连接，使得轮胎弯曲导致点(102)相对于点(202)的横向移动。磁体(44)连接到臂的侧面(102)，并且包括线圈(331)和铁磁芯(332)的电磁装置(33)连接到臂的侧面(202)。轮胎的弯曲在侧面(102)和侧面(202)之间产生相对横向移动，使得磁体相对于线圈移动，并且在线圈中产生电能。
图8c示出了设备(33)的细节。导线(3311)和(3312)是线圈的产生电能的端部。在本发明的全文中，涉及在线圈中产生的功率是指如图8C中所描述的线圈的两个端部。
我们已经在实验室中测试了这种配置。该设置包括150欧姆的线圈电阻。磁体沿线圈的快速移动产生了3.5V脉冲，脉冲宽度为200ms。在270欧姆负载的情况下，计算出的能量为71μJ。
参考图10和11，图10和11示意性地图示了可以用作轮胎内的设备的电源的能量收集器的另一个实施例。图10是收集器(3)的放大视图。附接到轮胎(500)的收集器由包括两个臂(30)和(40)的弯曲移动设备(1022)组成，这两个臂(30)和(40)在一侧面(301和401)上彼此连接，使得轮胎弯曲导致点(302)相对于板(402)的横向移动。框架(50)连接到(302)，使得其与(302)一起移动。磁体(61)和(62)连接到框架(50)的两个面对的刻面(501、502)，使得这些磁体的相同磁极彼此面对。电磁单元(70)包括如图9c中详述的保持器(701)和(702)、线圈(703)和铁磁芯(704)，例如具有侧面(7041)和侧面(7042)的金属，使得线圈围绕铁磁芯缠绕并且使得线圈导线具有两个端部。在图10中标记了侧面(7042)，但是看不到。电磁单元(70)利用分别锁定到凹痕(403)和凹痕(404)中的榫头(7011)和(7021)固定到板(402)。
图11a和11b示出了处于两种状态的收集器。在图11a中，臂处于第一状态，使得芯的侧面(7041)接触磁体(61)。当臂(30),(40)弯曲时，框架(50)和两个磁体一起被推动，使得现在侧面(7042)接触磁体(62)。该动作使在线圈端部之间生成电动势脉冲的电磁单元上的磁通量的极性反转。
我们已经发现通量反转产生高得多的功率。利用带芯的9.3欧姆线圈测试这种配置在22欧姆电阻器上产生3V，每次开关产生0.61mJ的能量。
这种较高能量的原因可以从等式1中获知
(1)E＝-N·dΦ/dt
其中，E是以伏特为单位测量的电动势，N是线圈a的匝数，i把那个且F是磁通量。相对于线圈移动磁体产生dΦ/dt。显然，大的dΦ/dt越大，E越大。使磁通量反转导致磁通量的非常高的变化，从而导致高电动势。当磁通量的极性在两个状态之间切换时，这种配置被称为切换模式。
为了产生大通量并且因此产生大通量变化，可以使用铁磁缠绕来将磁场限制在线圈附近。
图10和11中所示的实施例使用两个磁体，以便反转芯中的磁通量。然而，可以使用一个磁体，以便反转芯中的磁通量，如图12和13中示意性示出。图12是收集器的放大视图。附接到轮胎(500)的收集器由包括两个臂(80)和(90)的弯曲移动设备(1023)组成，这两个臂在一个侧面(801)和(901)上彼此连接，使得轮胎弯曲导致点(802)相对于板(902)的横向移动。框架(100)由诸如金属的铁磁材料制成，其被弯曲使得形成延伸部(1002)、(1003)、(1004)、(1005)。
电磁单元(1100)包括保持器(1101)和(1102)、线圈(1103)和具有侧面(11041)和(11042)的铁磁芯(1104)，使得线圈围绕铁磁芯缠绕并且使得线圈具有如图9c中详述的两个端部。
单元(120)是磁体，使得侧面(1201)是一个磁极，而侧面(1202)是相反的磁极。单元130是诸如金属的铁磁材料。
图13a和13b示出了处于两种状态的所构造的收集器。框架(100)和电磁体单元(110)固定到平面(902)，使得芯(1104)的侧面(11041)连接到框架(100)。磁体(120)在单元(130)内，使得侧面(1201)接触侧面(1301)，而侧面(1202)接触侧面(1302)。
在图13a中，收集器处于一个位置，使得侧面(1302)接触延伸部(1002)和(1003)，并且使得芯部(1104)的侧面(11042)接触侧面(1301)。在图12b中，轮胎(500)弯曲并且导致两个臂的弯曲，使得1301接触延伸部(1004)和(1005)，而芯(1104)的侧面(11042)接触侧面(1302)。
从一个位置移动到另一个位置使芯中的磁通量的极性反转，并且导致线圈的两个端部之间的电动势脉冲。这种配置可以在每次切换时收集高达几毫焦耳的能量。注意，在该实施例中，铁磁材料围绕线圈，使得线圈周围的磁场甚至更密集，使得由两个位置之间的切换引起的通量的变化更高。
因此，本发明的一个主要重要性是在每次轮胎弯曲时在两个状态之间切换。显然，这意味着弯曲能量收集器的最小弯曲对于这种切换步骤的发生是必需的。
上述实施例使用在PCT号PCT/IL2019/051302中描述的弯曲位移转换器，其中位移用于在发电机中产生旋转。在本专利申请中，该位移用于在磁体和线圈之间产生相对横向移动，或者用于在导致芯中的磁通量反转的状态之间切换。
注意，使用这种弯曲横向位移转换器仅用于例示用于这种相对移动和这种磁通量反转的机构，并且其它机构可以用于激活收集器。
参照图14，图14示意性地图示了激活图9所示的收集器的另一种可能的方式。这里，电磁单元(33)连接在连接到轮胎(500)的基座(31)上，并且磁体(40)安装在可以在基座(31)上滑动的框架(401)上。弯曲移动转换器(1024)包括臂(402)，该臂(402)通过铰链(404)和(405)连接到框架(401)和支撑件(403)，使得弯曲轮胎(500)相对于电磁单元(33)移动框架401和磁体(44)。
参照图15，图15示意性地图示了激活图10和11所述的收集器的另一种可能方式。在图15中，电磁设备(70)安装在连接到轮胎(500)的板402上。弯曲移动转换器包括臂(501)，该臂通过铰链(503)连接到支撑件(502)。另外铰链可以用于将臂(501)连接到框架(50)。支撑件(502)连接到轮胎(500)，使得弯曲轮胎(500)相对于电磁设备(70)移动具有磁体(61)和(62)的框架(50)，并且在两个状态之间使电磁设备中的磁通量的极性反转。
参照图16，图16示意性地图示了激活图12和13中所述的收集器的另一种可能方式。这里，容纳如图12所示的电磁单元(1100)的框架(100)连接到连接到轮胎(500)的基座(140)。弯曲移动转换器(1026)包括臂(1303)，该臂(1303)通过铰链(1305)连接到连接到轮胎(500)的支撑件(1304)，使得弯曲轮胎(500)使具有磁体(120)的磁体单元(130)在两个状态之间移位。
在图14至16所示的实施例中，支撑件(403、502和1304)用于将臂(402、501和1303)连接到轮胎(500)。在每种应用中都不需要这样的支撑件。例如，在将收集器施加到轮胎的情况下，弯曲轮胎可以允许将臂直接连接到轮胎而无需支撑。此外，在图14至16所示的实施例中，示意性地示出了铰链。这些铰链被设计成允许臂(402、501和1303)由于轮胎(500)的弯曲而移动，以允许收集器的正常工作。还清楚的是，在某些情况下需要多于一个铰链。
应当理解，在一些情况下，可以使用轮胎本身而不是收集器中的连接到轮胎的零件。
可以设计其它机构来激活在本专利申请中描述的弯曲能量收集器。这些设计可以使用包括两个零件的不同几何结构，其中一个零件保持磁体，而一个零件保持电磁设备，使得两个零件例如通过在它们之间具有铰链连接而自由地相对于彼此移动，使得当安装在轮胎上时，弯曲轮胎使两个部件相对于彼此移动，使得磁体相对于电磁设备移动。
此外，可以包括弹簧，使得一旦达到最小弯曲，弹簧就被释放，并且相对于线圈移动磁体，使得通路的极性反转更快，从而dΦ/dt。
示出了在本专利申请中描述的弯曲能量收集器，使得在初始状态下弯曲臂是平的。很明显，初始状态可以被弯曲以使它们所固定的收集器适合轮胎。
在本专利申请的一个实施例中，用于将轮胎的弯曲转换为电能的设备被设计成固定到轮胎。该设备包括包括线圈和芯的电磁设备、磁体和转换器，该转换器被设计成将轮胎的弯曲转换成磁体相对于电磁设备的移动，使得由线圈重复地产生电力脉冲。
在本专利申请的另一个实施例中，用于将轮胎的弯曲转换为电能的设备被设计成固定到轮胎。该设备包括：电磁设备，其包括线圈和具有第一端部和第二端部的芯；框架，其被设计成封闭电磁设备；转换器，其被设计成将轮胎的弯曲转换成框架的移动；第一磁体，其被设计成固定到框架的第一侧壁；以及第二磁体，其被设计成固定到框架的第二侧壁；由此轮胎的来回运移动导致框架从第一磁体在其第一端部接触芯的第一状态到第二磁体在其第二端部接触芯的第二状态的来回移动，使得芯中的磁通量能够重复地反转，使得通过线圈重复地产生电力脉冲。
在本专利申请的另一个实施例中，用于将轮胎的弯曲转换为电能的设备被设计成固定到轮胎。该设备包括：电磁设备，其包括线圈和具有第一端部和第二端部的芯；磁体，其具有附接到磁体的第一侧面的第一延伸部和附接到磁体的第二侧面的第二延伸部；转换器，其被设计成将轮胎的弯曲转换为磁体的移动，其中该设备可以处于其中第一延伸部将磁体的第一侧面连接到芯的第二端部并且通过介质将磁体的第二侧面连接到芯的第一端部的第一位置；其中，该设备可以处于第二延伸部将磁体的第二侧面连接到芯的第二端部并且磁体的第一侧面通过介质连接到芯的第一端部的第二位置；借此轮胎的回来移动导致磁体从第一位置到第二位置的回来移动，使得芯中的磁通量能够反复地反转。
参照图17a，图17a示意性地图示能量收集器(8)的另一个实施例，该能量收集器(8)可以用作轮胎(500)内的设备的电源。在该实施例中，磁体(8003)通过弯曲弹簧(8004)悬挂，该弯曲弹簧(8004)通过锚件(8005)固定到轮胎(500)。磁体以距离(80013)靠近线圈(8002)的芯(8001)放置。线圈和磁芯的一般示例在图9c中例示。当轮胎突然弯曲时，迫使磁体振动，并且在线圈中发电。
轮胎的旋转产生离心力Fc，如图17a所示。这使得磁体从其优选的工作点相对于芯(8001)移位，这反映了高功率转换。可以通过在图17b所示的某一距离处添加附加弹簧来限制磁体移动，这是通过添加固定到锚件(8005)的附加弹簧(8006)来实现。弹簧(8006)只有在弹簧(8004)被离心力偏转预定距离时才变为活动的。当弹簧(8004)在由于离心力的恒定弯曲下由于脉冲而振动时，弹簧(8004)与弹簧(8006)来回弹性地交换能量，该能量最终在线圈(8002)中被转换成电能。可以在弹簧(8006)下方增加几个弹簧，这些弹簧在不同的离心力下起作用。也可以在弹簧(8004)上方增加弹簧，如图17c所示。以类似方式，当弹簧8004的振动幅度超过一定距离时，这些弹簧通过有效地使弹簧8004变硬来限制弹簧8004的振动。
在图17d中，例示了其中使用了两个磁体(80031)和(80032)的这种配置的不同形式。这种配置的优点在于，与一个磁体相比，磁体的振动可以产生更大的磁通量的变化。此外，附加磁体可以补偿由于离心力而引起的弹簧(8004)的弯曲，因此可以增加收集器的工作窗口。注意，可以使用随着磁体移动而增强了芯中的磁通量的变化的任何配置的磁体。例如，磁体之间的间隙可以被调制，极性可以被反转，并且可以使用铁磁屏蔽，使得芯中的磁通量被成形为随着磁体移动而导致其值的高变化。
注意，在轮胎内部存在高压力。在车辆轮胎中，压力典型地在从小型车辆中的35psi到卡车轮胎中高达100psi的范围内。在35psi下，空气密度比大气压力下的空气密度高3倍，而在100psi下，空气密度是大气压力下的空气密度的8倍。高压力增加了空气的粘度并且因此增加了粘胶的阻尼。参考图17e。在该实施例中，弹簧8006可以由磁体8006-1代替。使用磁体代替弹簧的优点是在离心力高且弹簧8004朝向弹簧8006弯曲的高速率下起作用。当两个弹簧在高粘度环境下彼此接近时，挤压膜效应阻尼将部分能量转化为热量，并且因此降低转化为电能的能量。以与图17f中类似的方式，磁体80041-1和80041-2代替图17c中所示的弹簧80041、80041。
还要注意的是，能量收集器可以密封在低压室中，以便减少粘胶效应的能量损失。
另一种选择是如图17g所示将线圈和芯悬挂到弹簧(8008)和阻尼器(8009)。该实施例产生两个弹簧质量系统：包括弹簧(8004)和磁体(8003)的系统，以及包括弹簧(8008)和线圈(8002)以及芯(8001)的系统。这两个弹簧质量系统被设计成使得在离心力作用下在芯和磁体处的偏转是相同的。当k1/m1＝k2/m2，其中k1是弹簧(8004)的弹簧常数，m1是磁体(8003)的质量，k2是弹簧(8008)的弹簧常数，m2是线圈(8002)和芯(8001)的质量时，可以实现这一点。在这种情况下，磁体和芯的相对位置没有显著变化。当收集器(8)经受突然的冲击时，使得当轮胎在收集器位置与地面相遇时，在两个系统上产生冲击。阻尼器(8009)被设计成使得线圈在轮胎离开轮胎的平坦部分之前不会显著移动，因此将由磁体相对于芯的振动产生相对移动。图17h图示了阻尼器(8009)的一种可能配置。如所指出的，轮胎内的压力较高，并且空气比大气压力下的空气密度高得多。因此，阻尼器可以包括具有很少孔(80091)的活塞(80092)，使得孔内的空气移动阻尼弹簧(8008)的移动。
参照图17i和图17j，其示意性地图示了可以用作轮胎(500)内的设备的电源的能量收集器(8)的另一个实施例。该实施例类似于图17a所述的实施例，不同之处在于弹簧(8004)旋转90°，使得其在轮胎平面内自由振动。当轮胎突然弯曲时，迫使磁体振动，并且在线圈中发电。这种几何结构的优点是弹簧(8004)在离心力的方向是刚性的，因此工作点几乎不受影响。
注意，能量收集器(8)中收集的功率取决于芯(8001)和磁体(磁体(8003)或磁体(80031)和(80032))之间的间隙(80013)。间隙(80013)越小，由于磁体移动而获得的功率越高。然而，对于小间隙和低车辆速率，所产生的脉冲可能太小而不能克服磁体和芯之间的力并且允许磁体振动。实际上，在静止时并且取决于弹簧(8004)的弹簧常数，弹簧可以弯曲，使得磁体磁极中的一个更靠近芯，使得小冲击不能克服电磁力。因此，优选的是，取决于车辆速度而使间隙(80013)变化，使得在高速度和高振幅下，间隙(80013)可以比在低振幅下更接近。
图17k例示控制作为车辆速度的函数的间隙(80013)的一种方式。在该实施例中，离心力用于拉动固定到悬挂在铰链(80016)上的杆(80015)的质量块(80014)。操纵杆(80017)连接到在X方向自由滑动的弹簧支撑件(8005)。随着车辆速度增加，质量块(80014)被向下推动，并且弹簧保持器(8005)在X方向被推动，例如间隙(80013)减小。随着车辆速率降低，质量块(80014)返回并且弹簧保持器(8005)借助于弹簧(80018)向后滑动，使得间隙(80013)增加。
注意，能量收集器(8)可以放置在轮胎轮辋(80010)上，如图17L所示，其中它可以根据轮胎轮辋振动和冲击而发电。
还应注意，能量收集器可以是本专利申请中描述的不同实施例的组合。例如，它可以使用图17a至17d所述的弹簧与图17e和图17f中描述的磁体的组合。此外，应注意，本专利申请中所描述的弹簧仅被描述为示例性的弹簧，并且弹簧可以具有不同的形状，沿着弹簧的不同横截面，并且可以在任何方向弯曲。
参照图18，图18举例说明了使用能量收集器(5001)从轮胎(500)收集能量。该收集器可以附接到轮胎的内部或嵌入轮胎的内部，并且由于轮胎的随机弯曲而发电。在如图9所示的一个实施例中，弯曲导致磁体相对于线圈的移动。在如图10到16所示的另一个实施例中，当收集器由于轮胎弯曲而在两个状态之间切换时产生功率。在如图17所示的另一个实施例中，轮胎的突然弯曲导致磁体相对于线圈芯系统振动。
轮胎的接触的特征在于平坦部分，因此弯曲发生在图18所示的点“a”和点“b”处。如图19所示，能量收集器也可以垂直地放置。这些弯曲是相对已知的，并且机械设备可以被设计成产生磁体相对于线圈的移动或振动以及在状态之间的切换，使得每个切换步骤使通量极性反转。
注意，当收集器离开与地面的接触(图18中的点B)时，发生图17中描述的不同收集器配置的能量收割过程，在该点处，弹簧悬挂的磁体由于存储在弹簧中的能量而开始振动。弹簧-磁体系统的自由振动可以发生，直到轮胎的下一次旋转，因此磁体的自由振动可以通过在轮胎的大部分旋转期间将其转换为电能来收集。注意，固定磁体的目的仅在于补偿离心力。这相对于图8中所述的电磁能收集器是优势，在图8中，离心力是所收集的能量的源。图8中描述的能量收集器仅在收集器处于轮胎的平坦部分(在图18中的点A和点B之间)的时间期间发生，其中离心力被抵消并且自由磁体被固定磁体拒绝。一旦收集器离开平坦区域，它立即被拉回固定磁体，而径向振动非常小。如上所述，车轮旋转越快，自由磁体在平坦区域中并且经历由固定磁体施加的排斥力的时间越短。此外，如实验所示，一旦固定磁体离开轮胎的平坦部分，离心力就将其推向固定磁体，而没有明显的磁体振荡，否则磁体振荡将有助于所收集的能量。
参考图20A-20C中描述的实施例。图20A示出车轮(55)的前横截面，并且图19B是车轮(55)包括具有内侧面(200)的轮辋和具有内侧面(99)的轮胎的侧视图。用于将轮胎的弯曲转换为电能的收集器(5003)可以放置在轮辋(200)的内侧面上，或者放置在轮胎(500)的内侧面(99)。可以以以下的方式使用从收集器延伸的延伸臂(141)(例如图14中的臂(402)，或图15中的臂(501)，或图16中的臂(1303))：该臂接触、倾斜或简单地接近轮胎的内侧，使得当轮胎弯曲时，延伸部移动或弯曲，使得其在根据本专利申请的任何实施例所述的能量收集器中引起移动。
参考图20C中描述的实施例，其示出车轮(55)的横截面。在该实施例中，能量收集器(5004)被放置在轮辋(200)的内侧面上。延伸臂(141)从能量收集器延伸，接触，倾斜或靠近轮胎的侧面延伸，使得当轮胎弯曲时，延伸臂移动或弯曲，使得其在根据本专利申请中描述的任何实施例的能量收集器中引起移动。在图20C中描述的能量收集器被示为两种状态。在上部位置，轮胎未弯曲，延伸臂处于松开状态。在底部位置，轮胎被弯曲，并且延伸臂处于其第二状态：弯曲状态。从一个状态到另一个状态的交替激活如在本专利申请中的不同实施例所述的能量收集器。
如图20A-20C所示的延伸臂仅示出作为示例。臂可以由金属或例如橡胶的任何柔性材料或可以被压缩的材料制成，只要它足够硬以在收集器中产生所需的移动即可。
本发明涉及一种用于监控车轮轮胎的状况的系统，包括被设计成定位在车轮的内部的模块，其中该模块包括至少一个传感器、模块处理器、模块发送器和电源管理电路。该系统还包括电磁能量收集器，该电磁能量收集器包括缠绕在芯上的线圈和悬挂在弹簧上并且与芯距离很近的至少一个磁体，使得轮胎撞击导致磁体振动并且在线圈中产生电力，该电力由功率管理电路管理，然后用于给传感器、模块处理器和模块发送器供电。
该系统可以包括能量存储设备和充电电路，使得所管理的电力对用于给传感器、模块处理器和模块发送器供电的能量存储设备进行充电。
该系统可以包括一次电池和电容器，其中所管理的电力对电容器充电，并且其中传感器被设计成根据由模块处理器所控制的充电方案由电容器或由一次电池选择性地供电。
该系统可以包括控制磁体和芯之间的距离的机构，使得距离随着车轮旋转速率增加而变小。
该系统可以包括补偿由在轮胎旋转期间在轮胎中产生的离心力引起的磁体的位移的机构。
该系统可以包括至少一个衰减弹簧，该衰减弹簧衰减支撑磁体的弹簧的偏转，其中该偏转由轮胎旋转时在轮胎中产生的离心力引起。
该系统可以包括相对于收集器本体固定的磁体，使得由固定磁体施加在悬挂在弹簧上的磁体上的磁力在与在轮胎旋转期间在轮胎中产生的离心力的方向相反的方向。
该系统可以包括在受控压力下封装能量收集器的腔室。
在本发明中描述的系统使用能量收集器来将轮胎中的机械能转换为电能。该系统和能量收集器可以用于许多情况和许多部件。例如，它可以用在车辆的车轮内。下文和权利要求书中的术语车辆是指具有包括轮辋和轮胎的至少一个车轮的任何类型的运输机器，例如汽车、卡车、公共汽车、拖拉机、自行车、货车等。
本发明还涉及一种车辆的车轮，其包括轮辋，轮胎和用于将轮胎的弯曲转换为电力的设备。已知轮胎在任何给定时刻与地面接触的部分相对于轮胎的其它部分弯曲。因此，我们可以将本发明所述的能量收集器固定到轮辋的内侧面或轮胎的内侧面，并且使用臂连接在能量收集器和轮胎之间，以便将轮胎的弯曲传送到收集器。所传送的移动或者通过在两个状态之间切换磁体，或者通过相对于线圈的芯移动磁体，或者通过相对于线圈的芯振动弹簧悬挂的磁体，来激活收集器。

Claims (23)

1.一种用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，包括：
被设计成定位在所述第一车轮内部的第一模块和被设计成定位在所述第二车轮内部的第二模块，其中，所述每个模块中包括传感器、模块处理器、模块发送器，以及用于给所述传感器、所述模块处理器和所述模块发送器供电的电源；
远程接收器和数据处理器，其被设计成定位在所述车轮外部；
其中，每个车轮的模块处理器被设计成接收来自该车轮的传感器的输出；
其中，所述第一模块的模块发送器和所述第二模块的模块发送器被设计成基于所述输出从所述模块处理器向所述远程接收器发送处理数据；
其中，所述数据处理器被设计成分析从所述模块接收到的处理数据，将将来自所述第一车轮的处理数据与来自所述第二车轮的处理数据进行比较，并且将来自所述模块的处理数据与预先计算的数据进行比较，并且基于所述分析和比较来提供警报。
2.根据权利要求1所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述传感器包括压力传感器和来自包括以下的传感器组中的至少一个传感器：体积温度传感器、轮胎材料温度传感器、振动传感器、轮胎胎面厚度传感器以及轮胎干燥度传感器。
3.根据权利要求1所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述电源是一次电池。
4.根据权利要求1所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述电源包括能量收集器、功率管理电路和能量存储设备，其中，所述能量收集器被设计成从所述车轮的旋转中收集能量，并且其中所述能量由所述功率管理电路管理以产生对所述能量存储设备进行充电的调节功率。
5.根据权利要求1所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述电源包括一次电池和能量收集器、电容器和功率管理电路，其中，所述能量收集器被设计成从所述车轮的旋转中收集能量，其中所述能量由所述功率管理电路管理以产生对所述电容器进行充电的调节功率，并且其中所述传感器中的至少一个被设计成根据由所述模块处理器所控制的充电方案由所述电容器或由所述一次电池选择性地供电。
6.根据权利要求4所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器包括线圈、芯和至少一个磁体，并且被设计成固定到所述轮胎，所述能量收集器被设计成将所述轮胎的弯曲转换为电能。
7.根据权利要求5所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器包括线圈、芯和至少一个磁体，并且被设计成固定到所述轮胎，所述能量收集器被设计成将所述轮胎的弯曲转换为电能。
8.根据权利要求4所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器包括线圈、芯和至少一个磁体，并且被设计成固定到车轮的轮辋，所述能量收集器被设计成将振动和冲击转换为电能。
9.根据权利要求5所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器包括线圈、芯和至少一个磁体，并且被设计成固定到车轮的轮辋，所述能量收集器被设计成将振动和冲击转换为电能。
10.根据权利要求4所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器是一种被设计成固定到所述轮胎的压电能量收集器。
11.根据权利要求5所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器是一种被设计成固定到所述轮胎的压电能量收集器。
12.根据权利要求4所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器是一种被设计成固定到车轮的轮辋的压电能量收集器，所述能量收集器被设计成将振动和冲击转换为电能。
13.根据权利要求5所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述能量收集器是一种被设计成固定到车轮的轮辋的压电能量收集器，所述能量收集器被设计成将振动和冲击转换为电能。
14.根据权利要求1所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述警报包括关于所述轮胎需要的技术服务的信息。
15.根据权利要求1所述的用于检测至少第一车轮轮胎和第二车轮轮胎的压力和磨损状况的系统，其中，所述传感器中的至少一个传感器被设计成从所述电源接收能量，并且当轮胎旋转速度超过预设速度时，使该至少一个传感器活动。
16.一种用于监测车轮轮胎的状况的系统，包括：
被设计成定位在所述车轮的内部的模块，其中，所述模块包括至少一个传感器、模块处理器、模块发送器、功率管理电路和电磁能量收集器，所述电磁能量收集器包括缠绕在芯上的线圈和悬挂在弹簧上并且与所述芯距离很近的至少一个磁体，使得所述轮胎撞击导致所述磁体振动并且在所述线圈中产生电力，使得所述电力由所述功率管理电路管理并且使得所管理的电力用于对所述至少一个传感器、模块处理器和模块发送器供电。
17.根据权利要求16所述的用于监控车轮轮胎的状况的系统，还包括能量存储设备和充电电路，使得所述所管理的电力被设计成对所述能量存储设备进行充电并且使得所述能量存储设备被设计成对所述至少一个传感器、模块处理器和模块发送器供电。
18.根据权利要求16所述的用于监控车轮轮胎的状况的系统，还包括一次电池和电容器，其中所述所管理的电力被设计成对所述电容器进行充电，并且其中所述至少一个传感器中的至少一个被设计成根据由所述模块处理器所控制的充电方案由所述电容器或由所述一次电池选择性地供电。
19.根据权利要求16所述的用于监测车轮轮胎的状况的系统，其中，所述距离被设计成随着所述车辆的速率而改变，使得所述距离随着所述车轮的旋转速率增加而变小。
20.根据权利要求16所述的用于监测车轮轮胎的状况的系统，还包括被设计成补偿所述磁体的位移的机构，其中，所述位移由在所述车轮旋转期间产生的离心力引起。
21.根据权利要求16所述的用于监测车轮轮胎的状况的系统，还包括至少一个限制弹簧，所述限制弹簧被设计成限制悬挂在弹簧上的所述磁体的偏转。
22.根据权利要求16所述的用于监测车轮轮胎的状况的系统，还包括相对于所述收集器固定并且被设计成限制悬挂在弹簧上的所述一个磁体的偏转的至少一个磁体。
23.根据权利要求16所述的用于监测车轮轮胎的状况的系统，还包括在受控压力下封装所述能量收集器的腔室。
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