CN1716748A - 来自压电电源的电能转换 - Google Patents

Abstract

一种用于从旋转的轮胎的机械能中产生电能的系统和方法，其涉及一个与电能获取与调整模块相关联的压电发电装置。压电结构优选地安装在一个轮结构中，以使随着轮组件沿地面移动在其中产生电荷。压电结构的电极连接至一个电能获取与调整模块，该模块整流从压电结构所得到的电流并将其存储在一种能量存储装置中，优选的是一个电容。从存储在发电装置中的能量中提供了一个调整过的电压源，并能将其用于向集成在一个轮胎或一个轮组件中的各种电子装置系统提供电能。一个所使用的带有所公开的发电装置集成轮胎电子装置系统的例子对应于一个轮胎监测系统，该监测系统以无线方式将如轮胎压力、温度和识别变量的信息传送至一个远程接收器单元。

Description

来自压电电源的电能转换

技术领域

本发明通常涉及一种用于将由暴露于传统轮胎旋转的机械能之下的压电构件产生的电能转换成一种用于给集成轮胎电子装置提供电能的合适形式的系统和方法。利用压电技术以将与轮胎弯曲相关的机械压力转换成电荷，然后调整该电荷并把其存储在能量存储装置中。这样的存储能量的充足积累能给包括用于识别各种物理轮胎参数的组件以及可以传送轮胎识别数据和其它数据的射电频率(RF)传送装置的电子系统供应能量。

背景技术

充气轮结构与电子装置的结合产生了许多实际的优势。轮胎电子装置可以包括用于获取关于一个轮胎的各种物理参数信息，诸如温度、压力、轮胎旋转圈数、车辆速度、高速时的旋转圈数、高速时的温度与其它物理的和运行的参数，以及诸如制造者的名字、制造地点、制造日期等制造信息的传感器和其它元件。这样的性能信息在轮胎监视与警告系统中可以是有益的，且甚至可以潜在地与反馈系统一起使用以调整合适的轮胎压力级别。例如，由于轮胎的直径随着膨胀压力稍微改变，同一车辆上的轮胎旋转速度中的的差别可以表示处于过度打气或者充气不足。

美国专利第5,749,984号(Frey等人)公开了一种能够确定诸如轮胎偏转、轮胎速度和轮胎旋转圈数的信息的轮胎监视系统和方法。在美国专利第4,510,484号(Snyder)中可以找到轮胎电子装置系统的另一个例子，其涉及不正常的轮胎状况警告系统。美国专利第4,862,486号(Wing等人)也涉及轮胎电子装置，且更特别地公开了一个与汽车和卡车轮胎结合使用的示例性转速表。

然而，由结合轮胎构件的电子元件系统提供的另一潜在能力对应于用于商业车辆应用的资产跟踪和性能特征。商业卡车车队、航空器和重型推土机/采矿车辆都是能够利用轮胎电子系统和相关的信息传送的益处的实际行业领域。轮胎传感器能测定一个车辆每一个轮已走过的距离并由此对于这样的商业系统的维修保养计划提供帮助。为了用于诸如这些关于地面-采矿装置的更昂贵的应用，可以使车辆位置和性能达到最优化。使用RF跟随传送可以跟踪整个车队的车辆，其示例方面已公开在美国专利第5,457,447号(Ghaem等人)中。

这样的集成轮胎电子元件系统传统上由多种技术和不同的电能产生系统提供能量。在美国专利第4,061,200号(Thompson)和第3,760,351号(Thomas)中公开了多个从轮胎移动产生电能的机械特征的例子。这些例子提供了大规模的复杂系统，该系统总体上对于结合现代轮胎应用不是优选的。而在美国专利第4,510,484号(Snyder)中公开了用于给轮胎电子系统提供能量的另一个选择，其涉及关于轮胎的辐射中心线对称配置的压电簧片电源。

用于给轮胎电子元件系统提供能量的另一个典型的解决办法对应于不可充电电池的使用，该使用方式自然不能给轮胎用户提供方便，因为正常的电子装置系统运行依赖于定期的电池更换。传统电池通常也包含具有对环境不利的重金属，且其表现为很难进行适当的处理，特别当其使用的数量极大时。另外，当给由其特征为功能程度复杂的电子装置提供电能时电池组往往很快地消耗完它们的能量存储。在经过相对较远的距离诸如从卡车轮胎的位置传到卡车驾驶室中的接收器而传送信息的电子系统中，电池能量存储消耗特别普遍。甚至当在从车轮位置传送到较近的接收器位置的电子元件系统中使用电池组时，信息一般通过硬线传送介质从RF接收器位置传送到车辆驾驶室则被延迟，因此要求在车辆中安装附加的和通常昂贵的传送硬件。

而另一个已知的用于为轮胎监视系统获取电能的方法涉及利用很接近于轮胎和集成电子元件的探询天线来提取RF束电能。将从天线放射出的能量提取出来以给电子元件提供电能，其必须通常专用于限制在几微瓦的极低功率电子元件中。与由波束提供电能的电子装置结合使用的探询天线由于传送范围的限制必须一般放置在相对很接近每一个轮室的位置(在大约两英尺之内)。这就一般要求每一个车辆有多个探询天线，因此增加了潜在的装置花费。每一个天线也很容易受到公路事故影响而损伤，且因此由于许多原因而不是用于给确定的轮胎电子装置提供电能的最期望解决办法。

根据本发明，应该了解：压电材料的一定优势已经长期得到认可。然而，因为不断地改进这个技术，因此潜在地提供了利用具有改进的运行能力的压电材料的应用。在美国专利第5,869,189号(Hagood，IV等人)和第6,048,622号(Hagood，IV等人)中提供了压电技术相对新的发展的例子，其用于结构控制的合成。本发明公开的技术涉及压电技术进一步的发展，以使压电发电装置能够与能量转换装置相结合并能够与用于获取能量的一个轮胎或者轮胎组合件结合在一起。

在此，为了全部目的另外以参考的方式将前述美国专利的所有公开内容并入本申请中。虽然已经开发了各种轮胎电子装置系统以及能量生成与转换系统，但是还没有出现总体上包含如下文表述的根据发明技术的所有所需特征的设计。

发明内容

考虑到在现有技术中碰到的和由本发明所描述的公认特征，本发明已经提供了一种为集成在一个轮结构中的电子系统提供电能的改良的系统和方法。利用压电技术将与轮胎弯曲相关联的机械压力转换成电荷，该电荷然后被获取、调整和存储在一个能量存储装置中。那么这种被存储的能量的充足积累就能给电子装置系统提供能量，该电子装置系统包括用于识别各种物理轮胎参数的组件以及射频(RF)传送装置。

根据所公开的技术的多个特定方面，本发明的一个方面是提供一个带有集成的自我发电的电子元件的压电轮胎。这些电子元件由从集成的压电结构获得的能量来给自身提供能量，并且可以与多个电子应用一致。一个典型的电子应用是涉及设计以测量和传送与如压力和温度的轮胎状况相关的信息及如轮胎旋转圈数或常用的轮胎识别变量等其它信息的轮胎检测系统。相关技术的另一个方面涉及用于产生能量以给这些电子装置提供能量的方法。

本发明的轮胎电子系统和专用的发电装置的各个特征和方面提供了多个优点。所公开的技术提供不依赖于更换电池的自我发电的电子系统。尽管仍可以将电池和基于电池操作的装置与本发明的多个方面相结合，然而根据所公开的技术可以消除有关单独由电池供电的轮胎电子装置的很多复杂因素。

本发明的另一优点是提供了一种相对于传统的轮胎监测系统减少了所需的信号硬件数量的轮胎监测系统。通过提供能自我发电的轮胎检测系统，不再需要扫描(scavenger)天线或多个带有附加硬线接头的接收器单元。可以将这种轮胎检测系统的元件集成在给定车辆上的每个单独的轮结构中，以使单个接收器(一般位于车辆驾驶室中)能获得由每个轮胎的集成电子装置传送的信息。

本发明的另一个优点是对关于在轮胎和轮组件结构中可以利用的电子装备的类型和数量的限制较少。通常将由传统方法而并非由根据所公开的压电技术供应电能的轮胎电子装置限制为超低功率装置。根据所公开的技术的装置不必屈从于这些超低功率限制。这个优点进一步促进了轮胎电子装置有更强大的功能，因为潜在地可以使用更多的元件和/或高级别的设备。

还有本发明的另一优点是根据多个已有的应用可以使用所公开的用于产生电能和利用这些电能的系统和方法。测量能力、检测与警告系统、车辆反馈系统及资产跟踪潜力对于如商业卡车车队、飞机和采矿/重型推土机设备的应用是可行的。

在本发明的一个典型实施例中，一种带有集成的自身发电的电子元件的压电轮组件包括一个轮结构、一个有效的压电结构、一个电能获取与调整模块和一个电子装置包。更具体而言，该轮结构的特征由一个具有一个用于与地面接触的外轮胎部分的轮周、用于将轮胎定位到轮边缘的胎缘部分、在每个胎缘部分与轮周之间延伸的外侧壁部分和一个沿着内轮周和侧壁面的内衬来表现。该电能获取与调整模块电连接至压电结构以接收在压电结构中产生的电荷并产生一个被调整过的电压输出。这个调整过的电压输出然后给电子装置包中的选定元件提供电能。可以将该压电结构和与之相连的电能获取与调整模块粘附至轮胎的内轮周面或可以将该压电结构固化进轮胎的结构中。

本技术的另一个典型实施例涉及一种用于和一个气胎轮结构相集成的轮胎监测系统，该系统被设计为用于测量和传送与预先选定的轮胎状况相关的信息。更具体而言，这样一个轮胎监测系统可以包括一个有效的压电结构、一个电能获取与调整模块、多个传感器、一个微控制器和一个RF发射器。将该压电结构埋入一个环氧树脂基体中并提供在至少两个电极层之间，这个实施例优选的是粘结到该气胎轮结构的内部或安装和固化在轮结构本身内。将电能获取与调整模块电连接至选定的电极层，以使其接收在压电结构中产生的电流并将该电流存储在一个能量存储装置中，直到将其提供为一个调整过的电压输出为止。多个传感器由该调整过的电压输出供电，并且该传感器确定与预先选定的轮状况相关的信息。RF发射器电连接到微控制器，且RF发射器从微控制器接收信息以将信息调制成一个载波信号并将其传送至一个远程接收器单元。

还有所公开的技术的另一个典型实施例对应于一种用于从集成在轮组件中的压电材料中产生、获取与调整电能的方法。此方法中第一步涉及为了与轮组件中的一个选定的内部单元相结合提供一个有效的压电结构。此方法中的用于发电的第二步对应于使轮组件受到机械变形，该机械变形通常随着轮组件沿着路面转动而发生，这导致了轮组件的各个部分的弯曲及在所提供的压电结构中产生电流。然后此产生的电流被获取、调整并被存储在一个能量存储装置中，使得可获得一个调整过的电压源，以用于给与轮组件相关联的电子装置提供电能。

已经阐述了本发明的其它方面和优点，并且从在此详细描述来看对于本领域的普通技术人员来说是很明显的。另外，应进一步理解为：不脱离本发明的精神和范围，可以在各个实施例中和在对本发明的使用中实行对其具体描述、参考和讨论的特征、步骤进行修改和改变。改变可以包括但是不局限于对等价装置、特征或那些所解释的、参考的或讨论的步骤的替换及对各个部分、特征、步骤及类似物的功能性的、操作性的或位置性的颠倒。

还可以进一步理解为：本发明的不同实施例及不同的现有优选实施例可以包括目前公开的特征、步骤或元件或它们的等价物(包括其没有在图中明确显示或没有在这些图的详细描述中提及的特征、部件或步骤或结构的组合)的各种组合或配置。在此发明内容部分不需要表述的本发明的另外实施例可以包括和结合在上述总结性的目的中提及的特征、元件或步骤和/或在此申请中另外讨论的其它特征、元件或步骤的各种组合。基于回顾下面的具体说明，本领域普通技术人员将会理解这些实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

在说明书中论述了本发明的完整和能实施的公开，包括参考附图向本领域普通技术人员披露的最佳实施方式，其中：

图1是一个阐释本发明的电能产生、获取与调整装置的框图；

图2是一个阐释本发明的电能产生、获取与调整装置的一个典型

实施例的示意图；

图3是一个阐释本发明的电能产生、获取与调整装置的另一个示意实施例的示意图；

图4展示了一个根据本发明的一个带有集成的自我发电的电子组件的典型气胎轮结构的一般横截面图；

图5提供了一个根据已公开的技术表示轮胎电子元件系统的一个

实施例的框图；和

图6提供了一个已知的表示已知电能获取与调整装置的示意图。

贯穿本说明书和附图的附图标记的重复使用意在表述本发明的相同或者类似的部件或者元件。

具体实施方式

如同本发明的发明内容部分所讨论的那样，本发明特别涉及一种用于给安装在或者集成在一个轮结构中的电子装置系统提供电能的改进系统和方法。一个电能产生装置利用压电技术将与轮胎弯曲相关的机械压力转换成电流，然后调整电流并存储在一个能量存储装置中。那么这种被存储的能量的充足积累就能给电子装置系统提供能量，该电子装置系统的例子包括用于识别各种物理轮胎参数的组件以及射频(RF)传送装置。

根据公开技术的电能产生装置通常包括两个典型组件，一个压电电能产生装置以及一个电能获取与调整模块。参照2002年5月10日申请的且转让给本申请的受让人的未决美国申请10/143535的图2，描述了一个已知的典型压电构件的情况，该申请合并在这里用于所有的目的。在同一未决申请中公开了一个典型的电能调整模块(显示在该申请的图3中)，其类似于图6中目前阐释的已知的电能产生与调整电路。尽管已经在上面提到的未决的申请中阐述了特定结构，然而应该了解其可以使用任何合适的压电结构。

更具体地参考图6，阐释了一个已知的转换器电路，其中提供了一个压电元件60且连接到一个全波桥式整流器以便在压电元件60弯曲时在总线70、80的两端提供一个直流电压(DC)。压电元件60可以以任何合适的方式连接到或者嵌入一个轮结构中以使压电元件暴露于主轮的运动或者旋转产生的机械弯曲。压电元件60的机械弯曲产生一个对电容器40的相对高的电压、低电流的充电，该电容器40是一个容值相对大的高电压装置。由于压电元件60的机械弯曲继续发生，电容器40积累电荷直到齐纳二极管120导通，从而允许脉宽调制的闭环大规模(bulk)转换器100打开，排出电容器40存储的高电压、低电流能量的一部分，将所述电能转换进低电压、高电流能量的电荷存储电容器50，且将转换过的电能提供给一个外部装置。电容器50可以是容值相对小、低电压装置。这种类型的运行可以称作“大规模转换”系统，因为当电容器40两端的电压到达一预定级别时从已存储的高电压、低电流电能变化为低电压、高电流电能是自动传送的。

很容易认识到，在要求这些的时刻，这样的大规模转换系统就会产生基于提供能量中的固定延迟的能量供应问题。例如，假定在需要能量的时刻主轮实际旋转或者至少给压电元件60提供弯曲的机械能，在这样的转换器能够实际地将电能转换成由外部装置使用的合适形式的时刻之前，将仍然存在离需要能量的时刻有延迟。那么就有这样的可能：轮胎当前可能不给压电元件提供任何机械或者在一段时间内没有提供这样的能量，使得在电容器40中很少或者没有存储要转换给外部装置使用的电能。这种情况将不仅产生转换中的基于缺少可转换的存储能的延迟，而且在轮胎实际重新开始移动之前还会需要进一步的延迟。

本发明对应于这些已知的电能产生、获取与调整装置的不足进行了发展。参照图1，以框图的形式阐释本发明，从而演示了一种用于获取与调整由安装在诸如一个轮胎的主载体上的压电条产生的电能的新方法的基本操作。在此时，应该注意到，尽管当前讨论主要针对车辆和轮胎环境，然而应该清晰地认识到本发明技术能够结合可给压电条提供机械压力的任何装置，如产生可被获取和调整的电能以给内置的电子装置提供运行电能的机构。例如，本技术可以应用在一个地球物理传感器中，其中运输一个主装置的行为以及由振动感应事件诸如地震产生的实际振动产生了可以用来生成电源以运行一个传感器的振动。其它应用可能涉及使用本技术以提供本身供应能量的传感器，该传感器可以用来检测涉及几乎任何种类的机器的运行的振动和其它状况。

更具体地参考图1，本技术使用了一个压电元件60，该压电元件可以安装在或者嵌入在一个轮结构中，且可以按与在图6的充电电容器40的已知配置中描述的压电元件6相同的方式配置为电荷电容器45。然而，在本技术中，电容器45可以对应于一个与容值相对大、高电压的电容器40相反的容值相对小、高电压的电容器。将一个电压检测器与控制器110连接到电容器45，并且监视电容器45两端的电压。当该电压达到一个阈值水平时，电压检测器与控制器110产生一个激活单循环大规模转换器200的控制信号。启动该单转换循环将能量的一小部分从电容器45传送到电容器55，这允许电容器45操作在一个保持接近于最佳功率输出水平的电压范围内。在本技术中，电容器55可以是一个容值相对大、低电压的电解电容器，该电容器当由单循环大规模转换器的多个操作充电时，其对于目前公开的能量调整装置起基本能量存储装置的作用。

相对于先前描述的大规模转换系统，根据本技术刚才描述的通常操作可以称为“零星转换”系统。根据本技术，随着电荷积累，启动了转换循环，即变得“可用”，并且由压电条60的弯曲产生的电荷使得在电容器45的两端的电压超过一个阈值。这个可用的高电压转换为一低电压、高电流形式的转换过程允许从本技术的能量调整装置中提取操作功率的任意负载装置的立即运行，因此消除了与先前已知系统相关联的可能延迟。本零星转换方法的其它优点见于这些事实：与先前已知的脉宽调制器型转换器相比，得到的转换器更为简单，更为廉价，实体上更小，重量上更轻。启动单个转换循环的阈值可以固定于一个特定的电压值，或者可以随着在诸如变化的轮胎负载的各种操作条件下要求保持最大的功率输出而改变。

电压检测器与控制器110可以对应于几种形式的任意一种，结合图2和3阐释了其中的两个典型实施例。如后来更充分讨论的那样，在图2和3中阐释的实施例表现了简单控制方案的例子，然而另一选择为可以使用一个微控制器或类似的装置来为转换器提供更为智能的控制。

根据本发明，当一个安装在轮胎上或安装于轮胎中的电子装置需要运行的能量时，已经以较低的级别提供了能量。该低电压存储装置可以对应于多个装置或多级，包括但不局限于先前描述的电容器55。例如，该存储装置可以对应于一个或多个电容器，超级电容器，和各种类型的如电池的可充电装置，因此即使当轮胎停止或仅很慢地旋转时也有可能为用电力推动的电子装置的长期运行快速地提供能量和较长期地存储能量。

参照图2，阐释了一个本技术的电能获取与调整装置的一个典型实施例，本技术使用一个固定的阈值电压，该阈值电压是由齐纳二极管120、一个用于控制标准的大规模转换器的简单电压检测器130和一个实施为电容器55的单级基本能量存储装置来确定的。电压检测器130例如可以对应于一个S-80825型2.5伏输出电压检测器，而齐纳二极管可以对应于一个额定电压为33伏的装置。由于由压电条60提供的平均电流相当低，所以电压检测器130的输出固有地是单稳的，并且每次超出该电压界限时其操作为一个产生单个输出脉冲的驰张振荡器。重要的是应注意到：如果每个转换循环从电容器44传送到电容器55的能量的数量少于在轮胎旋转一圈中由压电条60传递出的能量，那么轮胎的单圈旋转不仅可以产生一个转换循环，而且可以产生几个转换循环。相反，如果轮胎旋转一圈由压电条60传递出的能量少于由单个转换循环传送的能量，那么平均来说其将小于每圈一个转换循环传送的能量。晶体管310，320与齐纳二极管340连同所说明的未编号的相关电阻对应于一个选通低漏分路调整器。然而，代替目前阐释的选通调整器，对于相关技术领域的那些普通技术人员来说很明显，可以使用几个其它已知的电压调整装置的任意一种。可以使用这些调整器来将转换器的输出电压维持在一个规定的值，该规定值适于被将通过本发明的电能调整电路提供能量的任意的电子装置使用。在一个典型实施例中，电压调整器可以将电容器55两端的电压维持在一个选定的值，该值在介于大约3.0伏到大约5.0伏的范围之内。对于本领域普通技术人员来说很明显，晶体管210与220、电感230、二极管240和其它未编号的相关元件构成了前述的提供从电容器45到输出电容器55的电荷传送的标准大规模转换器。

参照图3，阐释了一个本技术的电能获取与调整电路的另一个典型实施例。图3中所阐释的典型实施例与图2的相比区别在于两个方面。第一，没有如在图2中阐释的那样阐释分路规则。这个忽略不应被当作表示不应使用此种调整器，而实际上是为了简化简单地省略了该调整器。第二，已经交换了齐纳二极管和电压检测器130的位置。除了这些改变之外，已经增加了电阻140与150以及齐纳二极管160来协助对电压检测器与控制器电路的暂态抑制控制。在图3中所阐释的电能获取与调整实施例运行方式基本上与在图2中所阐释的实施例的方式相同。也就是说，当电容器45两端的电压确立一个由齐纳二极管120和电压检测器130的合成值确定的水平时，在该电压检测器的输出端子产生一个脉冲，那么其允许包括晶体管210与220、电感230、二极管240和其它未编号的相关元件的标准大规模转换器从电容器45向输出电容器55传送电荷。优选地将电能获取与调整模块的输出用于向轮胎或轮组件中的电子装置系统提供能量。在图5中展示了轮胎电子装置系统的一个例子，其包括多个传感器、一微控制器和一RF发射器，这将在后面进行更充分地描述。

现在将详细参考为集成在轮胎或轮组件中的电子装置系统提供电能的本发明系统和方法的目前优选实施例。现在参照附图，图4提供了根据本发明的一个带有集成的自我发电的电子元件12(在图5中进行了更具体地阐释)的典型气胎轮组件10的普通横截面图。应特别地理解为：尽管在此阐释的典型轮胎的横截面更通常可以被看作或多或少传统的气胎轮，本发明不局限于与这些相关的轮胎，也可以与所谓的平转轮相关联，该平转轮通常与目前描述的轮胎相比有稍微不同的横截面。

优选地与电子元件28，29，32，34，36，38相结合提供一个电能产生装置60和电能获取与调整电路，这些电子元件与轮结构相关联，致使在轮胎组件10中电子元件是自我发电的。如在图5中所阐释的那样，将电子元件28与29分别示意性地显示为温度和压力传感器，而元件30，32和34通常阐释为传感器X，Y和Z，它们可以对应于任意所需的传感单元，或者也可以对应于信息存储装置，该信息存储装置的运行方式类似于这样的传感器，在这样的传感器中以下述方式相对于相关轮胎的数据经由微控制器36和经由RF发射器38从该“传感器”传送到一个外部接收装置(未示出)，此种方式类似于从传感器28与29中开始传送温度和压力数据。仅作为一个非限制性的例子，“传感器”30、32和34可以对应于其它物理环境响应装置，例如，其它的温度或压力感应装置，这些装置可以在位置上与传感器28与29、汽车速度传感器、轮胎旋转传感器、轮胎偏转传感器、或其它物理或操作型传感器分离开，或者可以对应于信息存储装置，该信息存储装置包含对应于制造商、制造日期、产品信息和其它可以与轮胎相关联的这类数据或者它们的组合的信息。因此应当理解为：根据公开的技术，使用本发明的电能产生技术可以运用除了在本说明书中特定公开的那些装置之外的其它电子装置。美国专利第5,749,984号公开了一个可以利用本发明的轮胎检测系统的其它方面，并且为了通用在此以参考方式将这个专利并入本申请。一个轮胎电子装置系统可以连接到一个全球定位系统(GPS)上以定位一个汽车的精确位置。另一选择为，在一个轮组件中可以利用一个压电电能产生、获取与调整装置来给灯组件或反馈系统提供电能。根据公开的技术的多个方面，用电力推动的电子装置的数目是相当多的，并且这些决不应限制本发明。

本发明的电能产生、获取与调整装置的实际能力对于在一个轮组件中供应电能提供了多种超过传统技术的优点。如前面所讨论的天线束提取(scavenging)电能的技术不再作为有限的为了给轮胎电子装置提供电能进行挑选的选项中的一个。同样，一般说来，增加了多种类型的轮胎电子装置的操作能力。为了产生电能而利用电池的选项不再是基本的，因此避免了高成本和麻烦的更换电池。虽然目前公开的技术是为使得消除天线束电能和电池变为可能，然而应理解为一个电能产生装置可以利用压电技术和/或电池和/或天线束提取的不同组合来给轮组件中的不同的选定的电子元件提供电能。

如在图4中所阐释的那样，一个典型的轮结构16的特征由一个延伸到胎缘部分22而支撑一个外轮胎部分18和侧壁20的轮周顶来表现。侧壁20通常在剖面线17和19之间延伸，而轮胎的轮周15通常在两条剖面线19之间延伸。通常提供轮珠22，以使轮结构能有效地处于轮组件的边缘。不透气材料的内衬形成了轮胎的内表面，包括内轮周面24和内侧壁面26。外胎面23跨过侧壁部分20和轮周15在胎缘22之间延伸，并且在膨胀的条件下压力决定轮胎的形状并为牵引和驾驶传递力。通常沿着轮周15在结构16中提供带包21。

可以将如在图4的典型轮组件实施例中所阐释的电能产生、获取与调整装置14安装到轮结构16的内轮周面24上。此位置对于激励装置14中的压电元件通常很合适，因为外轮胎部分18沿着路面移动并将导致轮结构16弯曲。由于轮组件10沿着一个面移动，这个轮弯曲连同通常的机械振动能使电能产生装置14中的压电结构产生电流，该电流然后被调整并被存储于一个能量存储装置中，以用于给轮胎电子装置12提供电能。虽然内轮周面24是一个用于安装电能产生装置14的逻辑上的位置，然而应理解也可以将装置14安装在一个如内侧壁面26的位置。这些位置可能在压电元件上提供的压力较少，然而仍然为某些电子装置提供了足够的电能。此外，可以将装置14安装和固化在结构16中，例如，在沿着面24和/或26提供的外胎面23和内衬之间。根据多种用于装置14的可能位置，应理解为术语“集成”通常包括所有可能的位置，包括安装在轮结构之上或之中。

压电元件的电能产生元件可以包括多种如在前述未决申请中讨论的压电材料，该申请以参考的方式并入本申请，并且本质上可以称为对于有关压电元件的进一步具体详细描述。

虽然参照其特定实施例已经详细描述了本发明，然而应理解为本领域的普通技术人员基于以前的理解可以很容易制造出对这些实施例的替换物、变形和等价物。因此，仅用例子描述了本发明的范围，而不是用于限制，并且本发明所公开的内容不排除包括这些对于本领域普通技术人员来说很容易理解的修改、变形和/或对本发明的增加。

Claims (21)

1.一种带有集成的自我发电的电子部件的气胎轮组件，所述气胎轮组件包括：

一轮结构，该轮结构的特征在于具有用于与地面接触的外轮胎部分的轮周、用于将所述轮胎定位到轮边缘的胎缘部分、在每个胎缘部分与轮周之间延伸的外侧壁部分、内轮周与侧壁面；

一压电结构，其与所述轮结构的一选定部分集成在一起，以使所述压电结构在所述轮机构弯曲的同时产生电能；

一个电能获取与调整模块，其电连接至所述压电结构用于接收在其中产生的电能，并用于在所述轮结构弯曲时提供一个调整过的电压输出；及

一电子装置包，其连接至所述电能获取与调整模块，使得由调整过的电压输出向所述电子装置包的选定功能提供电能。

2.如权利要求1所述的气胎轮组件，其中所述电能获取与调整模块包括一用于整流由压电结构产生的电能的电压整流器、一用于存储整流过的电能的能量存储装置和一用于提供调整过的电压输出的电压调整器。

3.如权利要求2所述的气胎轮组件，其中所述电压整流器是一个全桥整流器，及其中所述能量存储装置是一个电容器。

4.如权利要求2所述的气胎轮组件，其进一步包括：

用于从电压整流器中接收整流过的能量的第一存储装置；及

一个用于将来自所述第一存储装置的能量传送到所述能量存储装置的转换器。

5.如权利要求4所述的气胎轮组件，其中所述转换器是一个大规模转换器。

6.如权利要求4所述的气胎轮组件，其中所述第一存储装置和所述能量存储装置都是电容器，并且其中所述第一存储装置的电容值低于所述能量存储装置的电容值。

7.如权利要求4所述的气胎轮组件，其中第一存储装置的电压额定值高于能量存储装置的电压额定值。

8.一种用于与一个气胎轮结构集成在一起的轮胎监测系统，该系统被设计为测量与传送与预先选定的轮胎状况有关的信息，所述轮胎检测系统包括：

一压电结构；

一电能获取与调整模块，其电连接至所述压电结构，用于接收在压电结构中产生的电能，用于在电能调整模块中存储电荷，并且用于独立地产生一个调整过的电压输出；

多个用于确定有关预先选定的轮胎状况的信息的传感器；

一微控制器，其连接至所述电能获取与调整模块，并且连接至所述多个传感器，用于处理来自所述传感器的信息，并用于产生表示预先选定的轮胎状况的选择信息；及

一RF发射器，其电连接至所述控制器，用于从所述微控制器接收选择信息，将选择信息调制为一个载波信息，并且将选择信息传送至一个远程接收单元。

9.如权利要求8所述的轮胎监测系统，其中所述电能调整模块包括一个用于整流在所述压电结构中产生的电能的电压整流器、一个用于存储电能的能量存储装置和一个用于产生调整过的电压输出的电压调整器。

10.如权利要求9所述的轮胎监测系统，其中所述电压整流器是一个全桥整流器和其中所述能量存储装置是一个电容器。

11.如权利要求10所述的轮胎监测系统，其中调整过的输出电压的水平在大约3伏到大约5伏。

12.如权利要求10所述的轮胎监测系统，其中选定的所述多个传感器提供有关一个气胎轮结构中的温度和压力信息。

13.如权利要求8所述的轮胎监测系统，其中由所述微控制器产生的选择信息表示轮结构的温度与压力、轮结构已经承受的旋转圈数和一个轮胎的识别标记。

14.一种用于从集成在一个轮组件中的压电材料中产生电能的方法，所述方法包括下述步骤：

提供一压电结构，其中所述压电结构在轮组件的内部沿着一个选定的位置定位；

使轮组件受到机械变形，该机械变形通常随着轮组件沿着路面旋转而发生，这导致了轮组件的各个部分的弯曲及在所提供的压电结构中产生电流；

调整在压电结构中产生的电流；及

将调整过的电流存储在一个能量存储装置中，使得立即可获得一个调整过的电压源，以用于向与轮组件相关联的电子装置提供电能。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述调整步骤包括整流在压电结构中产生的电流。

16.一种发电模块，其包括：

一具有输出端的压电元件，该输出端在所述压电元件弯曲时提供一个输出电压；

一具有一个输入和一个输出的整流器，整流器的输入连接至压电元件的输出端；

一连接至整流器的输出的第一存储元件；

一具有一个连接至所述第一存储元件的输入和一个输出的转换器；

一连接至所述转换器的输出的第二存储元件，其中压电元件基于弯曲产生一个相对高电压的电荷，该电荷被存储在所述第一存储元件中，并且当到达一个阈值水平时被转换成一个相对低电压的电荷并存储在所述第二存储元件中。

17.如权利要求16所述的发电模块，其中所述转换器是一个大规模转换器。

18.如权利要求16所述的发电模块，其中所述第一存储元件和第二存储元件是电容。

19.如权利要求18所述的发电模块，其中所述第二存储元件是一个电解电容器。

20.如权利要求18所述的发电模块，其中所述第一存储元件的电容值低于第二存储元件的电容值。

21.如权利要求18所述的发电模块，其中第一存储元件的电压额定值高于第二存储元件的电压额定值。

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