專利名稱：具有多級存儲器的壓電源的能量轉(zhuǎn)換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種將壓電結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成適合于為集成輪胎電子元件提供電力的形式的系統(tǒng)和方法，其中該壓電結(jié)構(gòu)受到常規(guī)輪胎旋轉(zhuǎn)的機械能的作用。
背景技術(shù)：
壓電技術(shù)用于將與輪胎撓曲相連的機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電荷，電荷隨后被調(diào)節(jié)和存儲在一個或多個儲能裝置。這樣被存儲的能量得到充分累積后就能為電子系統(tǒng)供電，該電子系統(tǒng)包括識別不同物理輪胎參數(shù)的組件，以及可以傳送輪胎標(biāo)識和其它數(shù)據(jù)的射頻(RF)傳輸裝置。將電子裝置與充氣輪胎結(jié)構(gòu)結(jié)合具有許多實質(zhì)優(yōu)點。輪胎電子元件可以包括傳感器和用于獲取關(guān)于不同的輪胎物理參數(shù)和制造信息的信息的其它組件，其中所述的物理參數(shù)如溫度、壓力、輪胎轉(zhuǎn)數(shù)、車速、轉(zhuǎn)速值、速度溫度、和其它物理與運轉(zhuǎn)參數(shù)，而制造信息如制造商名稱、制造地、生產(chǎn)日期等。這樣的性能信息有益于輪胎監(jiān)測和警告系統(tǒng)，甚至可以與反饋系統(tǒng)結(jié)合潛在地應(yīng)用于調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)妮喬毫λ?。例如，?dāng)輪胎的直徑將隨著膨脹壓力輕微變化時，同一車輛的不同轉(zhuǎn)速表示未膨脹或者過膨脹。
美國專利NO.5,749,984(弗雷等)公開了一種輪胎監(jiān)測系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法能夠確定如輪胎偏轉(zhuǎn)、輪胎速度和輪胎轉(zhuǎn)數(shù)這樣的信息。在美國專利NO.4,510,484(斯奈德)中可以找到輪胎電子系統(tǒng)的另一例子，此專利涉及一種非正常輪胎條件警告系統(tǒng)。美國專利NO.4,862,486(溫等)也涉及輪胎電子元件，且更具體地公開了一種用于與汽車及卡車輪胎相連的示例性的轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器。
然而，由與輪胎結(jié)構(gòu)集成的電子系統(tǒng)所提供的另一潛在能力對應(yīng)于商業(yè)車輛應(yīng)用的資產(chǎn)跟蹤和性能特性。商業(yè)車隊，航空工藝和重型推土機/采礦車輛都是可行的行業(yè)，其可以應(yīng)用輪胎電子系統(tǒng)的優(yōu)點和相關(guān)信息傳輸。輪胎傳感器可以確定車輛中每個輪胎已經(jīng)駛過的距離，所以可能幫助維持這種商業(yè)系統(tǒng)的計劃。車輛的位置和性能可以為如有關(guān)陸地挖掘設(shè)備那樣的更加昂貴的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。車隊的全部車輛可能使用RF標(biāo)簽傳輸來跟蹤，在美國專利NO.5,457,447(Ghaem等)公開了它的示例性的方面。
這樣被集成的輪胎電子系統(tǒng)通常由多種技術(shù)和不同的發(fā)電系統(tǒng)供電。由輪胎移動產(chǎn)生能量的機械特性的例子公開于美國專利NO.4,061,200(湯普森)和NO.3,760,351(托馬斯)中。這些例子提供了大容量復(fù)雜系統(tǒng)，其中這些系統(tǒng)一般不是現(xiàn)代輪胎應(yīng)用的優(yōu)選。然而，為輪胎電子系統(tǒng)供電的另一選擇公開于美國專利NO.4,510,484(斯奈德)中，該專利涉及一種關(guān)于沿輪胎輻射中心線對稱配置的壓電簧片(piezoelectroc reed)電源。
為輪胎電子系統(tǒng)供電的另一解決方案對應(yīng)于非可再充電電池的應(yīng)用，該電池固有地給輪胎的使用者帶來了不方便，因為適當(dāng)?shù)碾娮酉到y(tǒng)運轉(zhuǎn)依賴于周期的電池充電。常規(guī)的電池也經(jīng)常包含重金屬，這些重金屬破壞環(huán)境，且在大量應(yīng)用時存在處理問題。進(jìn)一步地，當(dāng)電池供電用于功能復(fù)雜的電子應(yīng)用時，趨向于很快耗盡電池的能量存儲。電池存儲損耗在將信息較遠(yuǎn)距離傳送(如從卡車車輪位置到卡車座艙中的接收器)的電子系統(tǒng)中特別普遍。甚至當(dāng)電池被用于將信息從車輪位置傳送到更近的接收器位置的電子系統(tǒng)中，隨后信息通常通過硬線(hard-wire)傳輸介質(zhì)從RF接收器位置傳送到車輛駕駛室，所以要求安裝附加的而且通常昂貴的通信硬件在車輛中。
為輪胎監(jiān)測系統(tǒng)獲得能量的另一已知方法涉及由靠近輪胎并集成了電子特性的詢問天線來提取RF波束能量。提取由天線輻射的能量以為電子元件供電，該電子元件通常必須為超低功率電子元件，其被限制為微瓦級。因為限制的傳輸范圍，應(yīng)用于與波束供電的電子元件連接的詢問天線必須通常放置于每個車輪較鄰近的位置(在大約2英尺內(nèi))。這個通常要求每個車輛有多個詢問天線，從而增加了潛在的設(shè)備成本。每個天線也易受影響而被道路危險損害，所以由于許多原因它不是為某些輪胎的電子應(yīng)用供電的最可期望的解決方案。
依據(jù)本發(fā)明，可理解很久以來壓電材料的某些公認(rèn)的優(yōu)點。然而，這樣的技術(shù)依然在改進(jìn)，所以潛在提供了使用具有改良的運轉(zhuǎn)能量的壓電材料的應(yīng)用。美國專利NO.5,869,189(哈古德，尤等)和NO.6,048,622(哈古德，尤等)提供了壓電技術(shù)中的較新改良的例子，這些例子指向結(jié)構(gòu)控制的組合。目前公開的技術(shù)包括壓電技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，比如壓電發(fā)電裝置可以與功率轉(zhuǎn)換安排合并，且它們可以為了能量收集的目的與輪胎或車輪組件集成在一起所有前述的美國專利的公開內(nèi)容在這里與該申請完全結(jié)合作為參考。雖然不同的輪胎電子系統(tǒng)以及功率產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)出來，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)，通常不再出現(xiàn)包含了所有如下所述的期望特性的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
由于在現(xiàn)有技術(shù)中所遇的和本發(fā)明所述的公認(rèn)的特性，一種為集成在輪胎結(jié)構(gòu)中的電子系統(tǒng)供電的改良的系統(tǒng)和方法已經(jīng)被研發(fā)出來。壓電技術(shù)被用于將與輪胎撓曲相關(guān)的機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為隨后被收集的電荷，并被調(diào)節(jié)和存儲在一個或多個儲能裝置中。然后，這種存儲的能量在充分累積之后能為電子系統(tǒng)供電，該電子系統(tǒng)包括識別不同物理輪胎參數(shù)和射頻(RF)傳輸裝置的組件。
依據(jù)公開技術(shù)更具體的方面，本發(fā)明的一個方面是提供一種具有集成的自供電電子組件的充氣輪胎。這樣的電子組件是由集成壓電結(jié)構(gòu)收集的能量進(jìn)行自供電。一個示例性的電子應(yīng)用包括一個輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)被設(shè)計為測量和傳送關(guān)于如壓力和溫度這樣的一個或多個選定的輪胎條件的信息，以及如輪胎轉(zhuǎn)數(shù)或一般輪胎識別變量這樣的其它信息。相關(guān)技術(shù)的另一方面涉及產(chǎn)生能量以為這種電子裝置供電的方法。
本發(fā)明的輪胎電子系統(tǒng)和特別的發(fā)電裝置的不同特性和方面提供了多種優(yōu)點。在此公開的技術(shù)是不依賴電池更換的自供電輪胎電子系統(tǒng)。雖然電池和電池運行裝置仍可與本發(fā)明結(jié)合，但關(guān)于由電池單獨供電的輪胎電子元件的許多組合可依據(jù)在此公開的技術(shù)被排除。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是提供的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)減少了相對于常規(guī)輪胎監(jiān)測系統(tǒng)所需的信號硬件的數(shù)量。通過提供一自供電的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，不需要具有附加硬件連接的提取天線或多接收器位置。這種輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的組件可以集成在每個單獨的給定車輛的輪胎結(jié)構(gòu)中，以便單個接收器(通常位于車輛駕駛室中)能夠獲得由每個輪胎的集成電子元件傳送的信息。
但是，本發(fā)明的另一優(yōu)點是，對于能在輪胎和車輪組件結(jié)構(gòu)中使用的電子設(shè)備的型號及數(shù)量的限制更少。由常規(guī)方法而不是依據(jù)在此公開的壓電技術(shù)供電的輪胎電子元件通常被限定為超低功率裝置。依據(jù)在此公開的技術(shù)的裝置不必要服從于這樣極端的功率限制。這個優(yōu)點還帶來了輪胎電子元件的更多功能，因為更多組件和/或更高水平的設(shè)備被潛在應(yīng)用。
本發(fā)明的另一優(yōu)點還在于，在此公開的用于發(fā)電和使用電能的系統(tǒng)和方法可以依據(jù)多種現(xiàn)有應(yīng)用被使用。測量能力、監(jiān)測和警告系統(tǒng)、車輛反饋系統(tǒng)、和資產(chǎn)跟蹤能力等應(yīng)用對于如商業(yè)車隊、飛機、和挖掘/重型推土機這樣的設(shè)備而言是可能的。
在本發(fā)明的一示例性的實施例中，具有集成的自供電電子組件的充氣輪胎組件包括輪胎結(jié)構(gòu)、活動壓電結(jié)構(gòu)、電能收集和調(diào)節(jié)模塊、和電子附件。更優(yōu)選地，該輪胎結(jié)構(gòu)特征在于胎冠具有與地面接觸的外胎面部分、將輪胎固定在輪輞上的胎圈部分、在每個胎圈部分和胎冠之間延伸的外側(cè)壁部分以及沿內(nèi)胎冠和側(cè)壁表面的內(nèi)襯墊。電能收集和調(diào)節(jié)模塊與壓電結(jié)構(gòu)耦合以接收壓電結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的電荷，并產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓輸出。然后，該調(diào)節(jié)電壓輸出為電子附件中的選定組件供電。該壓電結(jié)構(gòu)和所附的電能收集和調(diào)節(jié)模塊可與輪胎的內(nèi)胎冠表面粘結(jié)或者該壓電結(jié)構(gòu)可被直接固定在輪胎結(jié)構(gòu)中。
本發(fā)明的另一示例性的實施例包括一輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其與充氣輪胎結(jié)構(gòu)集成，該充氣輪胎結(jié)構(gòu)被設(shè)計為測量和傳送對應(yīng)了一個或多個預(yù)選擇輪胎條件的信息。更具體地，這樣的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)可包括一活動壓電結(jié)構(gòu)、一電能收集和調(diào)節(jié)模塊、多個傳感器、一微控制器、和一RF發(fā)射器。該壓電結(jié)構(gòu)可嵌入一環(huán)氧矩陣，且結(jié)合至少兩個電極，這個實施例優(yōu)選地或者與充氣輪胎結(jié)構(gòu)的內(nèi)部粘結(jié)，或者裝配和固定在輪胎結(jié)構(gòu)中。電能收集和調(diào)節(jié)模塊與選定的電極電耦合，以便該模塊接收壓電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電流，并將電流存儲在儲能裝置中直到它作為調(diào)節(jié)電壓輸出被提供。多個傳感器由調(diào)節(jié)電壓輸出供電，且確定關(guān)于預(yù)選擇輪胎條件的信息。該RF發(fā)射器與微控制器電連接，接收微控制器中的信息以調(diào)制載波信號，并將載波信號傳送給遠(yuǎn)程位置的接收器。
在此公開的技術(shù)的另一示例性實施例還進(jìn)一步相對于從集成在輪胎和車輪組件中的壓電材料生成、收集和調(diào)節(jié)電能的方法。該方法的第一步為結(jié)合在輪胎和車輪組件的選定內(nèi)部位置提供一活動壓電結(jié)構(gòu)。生成電能的下一步是使輪胎和車輪組件經(jīng)過機械應(yīng)變，一般地如輪胎和車輪組件沿地面滾動而導(dǎo)致車輪組件的部分撓曲，在所提供的壓電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電流。該產(chǎn)生的電流隨后被收集，調(diào)節(jié)并存儲在一個或多個儲能裝置中，以便調(diào)節(jié)電壓源為與輪胎和車輪組件相連的電子裝置供電。
然而，在此公開的技術(shù)的另一示例性實施例還進(jìn)一步對應(yīng)于一種從應(yīng)用多級方法的壓電材料中收集和調(diào)節(jié)電能的方法和裝置。依據(jù)本發(fā)明的一個方面，從壓電材料產(chǎn)生的電荷能量可以被存儲在分開的存儲元件中，以提供低電壓能量的早期可用性和高功率能量的輕微延遲可用性。
通過這里的詳細(xì)描述，本發(fā)明的附加方法和優(yōu)點被提出，或呈現(xiàn)，給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。同樣地，這可以被進(jìn)一步理解，這里對本說明的修改和改變，參考和討論的特性及步驟都可以應(yīng)用于不同的實施例中，且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下應(yīng)用本發(fā)明。改變可以包括，但不限于，那些圖示的、參考的、或討論的等效裝置、特性或步驟的替換，和不同部分、特性、步驟等的功能、操作或位置的反轉(zhuǎn)。
進(jìn)一步地，可以理解，本發(fā)明的不同的實施例，和不同優(yōu)選實施例可以包括在此公開的特性、步驟或元件的不同的組合或結(jié)構(gòu)，或它們的等效(包括沒有清楚顯示于附圖或附圖的詳細(xì)說明中的特性、部分、步驟或結(jié)構(gòu)的組合)。本發(fā)明的附加實施例，在此總結(jié)部分不必要表述，可包括和結(jié)合了參考以上總結(jié)目標(biāo)的特性、組件或步驟的發(fā)明的不同組合。在閱讀了說明書剩余部分的內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更好地理解這些實施例的特性和方面。


圖1是本發(fā)明的電能產(chǎn)生，收集和調(diào)節(jié)安排的示例性實施例的圖解方塊圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的兩級電能收集安排的更詳細(xì)的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電能產(chǎn)生，收集和調(diào)節(jié)安排的示例性實施例的示意圖；圖4示出了本發(fā)明的電能產(chǎn)生，收集和調(diào)節(jié)安排的另一示例性實施例的示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明具有集成的自供電電子組件的一個示例性充氣輪胎結(jié)構(gòu)的一般橫截面視圖；圖6提供了根據(jù)在此公開的技術(shù)的一個示例性的輪胎電子系統(tǒng)的方塊圖；以及圖7提供了已知的電能收集和調(diào)節(jié)安排的代表的示意圖。
本說明書和附圖的參考標(biāo)志的重復(fù)使用，意在描述本發(fā)明的相同或類似的特征或元件。
具體實施例方式
如本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容部分所述，本發(fā)明具體涉及一種改良的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法為裝配在輪胎結(jié)構(gòu)之上或集成在其中的電子系統(tǒng)供電。一發(fā)電裝置應(yīng)用壓電技術(shù)將與輪胎撓曲相連的機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電流，其后該電流被調(diào)節(jié)和存儲在一個或多個儲能裝置中。這樣存儲的能量得到充分累積之后就能為電子系統(tǒng)供電，該電子系統(tǒng)的例子包括標(biāo)識不同輪胎物理參數(shù)的組件，和射頻(RF)傳輸裝置。
依據(jù)在此公開的技術(shù)的一發(fā)電裝置通常包括兩個示例性的組件，一個壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)和一個電能收集和調(diào)節(jié)模塊。參考共同未決的美國申請NO.10/143,535的圖2描述已知示例性的壓電結(jié)構(gòu)的各個方面，其中該美國申請NO.10/143,535是在2002年5月10日提交，并被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，在此并入作為參考。在相同的未決的申請中公開了一種示例性的電能調(diào)節(jié)模塊(如未決的申請的圖3所示)，該功率調(diào)節(jié)模塊與本申請的圖7所示的公知的發(fā)電和電能調(diào)節(jié)電路相似。應(yīng)當(dāng)理解，所舉的例子都只是示例性的，并且任何能轉(zhuǎn)換輪胎撓曲的應(yīng)變的壓電結(jié)構(gòu)都可以被使用。
特別參考圖7，示出了一種公知的轉(zhuǎn)換電路，其中的壓電元件60與全波橋式整流器耦合，以便基于壓電元件60的撓曲通過總線70，80提供直流(DC)電壓。壓電元件60可以任何適當(dāng)?shù)姆绞脚c輪胎結(jié)構(gòu)粘附或者嵌入其中，這樣壓電元件被來自主輪胎的移動或轉(zhuǎn)動的機械撓曲結(jié)果作用。該壓電元件60的機械撓曲產(chǎn)生一個對電容器40的相對高電壓和低電流的充電，其中電容器是一個具有高電容的高電壓裝置。隨著該壓電元件60的機械撓曲的繼續(xù)，電容器40累積電荷直到穩(wěn)壓二極管120導(dǎo)通，從而允許脈沖寬度調(diào)制的閉環(huán)降壓轉(zhuǎn)換器100打開，排干電容器40中存儲的部分高電壓、低電流能量，將該能量轉(zhuǎn)換成低電壓、高電流能量，給存儲電容器50充電，并將轉(zhuǎn)換的能量提供給外部裝置。電容器50可以是具有較小容量的低電壓裝置。由于當(dāng)電容器40的輸入電壓到達(dá)一個預(yù)確定的水平時，從高電壓、低電流能量到低電壓、高電流能量的轉(zhuǎn)換是自動生成的，因而這種類型的操作可以稱為一種整體轉(zhuǎn)換(bulk conversion)系統(tǒng)。
可以理解，這樣的整體轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在需要能量時可能產(chǎn)生基于內(nèi)在的提供電能的延遲帶來的能量供應(yīng)問題。例如，假設(shè)主輪胎事實上在轉(zhuǎn)動，或者至少在需要能量時在為壓電元件60提供撓曲機械能量，然而，可能存在一種從需要能量的時刻到轉(zhuǎn)換器實際可以將能量轉(zhuǎn)換成一種適于外部裝置使用的適當(dāng)形式的時刻的延遲。然后，還存在一種可能性，即輪胎不能立即提供任何機械能量給壓電元件或一段時間內(nèi)未提供這樣的能量，以致沒有多少存儲在電容器40中的能量被轉(zhuǎn)換用于外部裝置。這樣條件不僅僅是產(chǎn)生基于缺少可轉(zhuǎn)換存儲能量的轉(zhuǎn)換延遲，還需要進(jìn)一步的延遲直到輪胎重新開始移動。
本發(fā)明已被研發(fā)出以響應(yīng)公知的電能產(chǎn)生、收集和調(diào)節(jié)安排中的不足。參考圖1，本發(fā)明以方塊圖的形式描述、說明了收集和調(diào)節(jié)由壓電帶產(chǎn)生的電能的新方法的基本操作，其中該壓電帶裝配在如輪胎這樣的主載體中。此時，應(yīng)當(dāng)注意，雖然本討論開始指向車輛和輪胎環(huán)境，但應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明可與任何能將機械應(yīng)變應(yīng)用于作為機械裝置的壓電帶以產(chǎn)生電力的裝置結(jié)合，其中該電力可被收集和調(diào)節(jié)以為包含的電子裝置提供運轉(zhuǎn)電能。例如，本發(fā)明可被應(yīng)用于地球物理傳感器，那里運送主裝置的動作，以及來自如地顫動這樣的振動感應(yīng)事件的實際振動結(jié)果，將產(chǎn)生被用于操作傳感器發(fā)電的振動。其它應(yīng)用可涉及使用本發(fā)明提供的自供電傳感器，其中傳感器可被用于監(jiān)測振動和其它與任何描述的機器的運轉(zhuǎn)相關(guān)的條件。
特別參考圖1，本發(fā)明包括壓電元件60，其中該壓電元件60被裝配在輪胎結(jié)構(gòu)上或者裝配在其中，并且被配置成以基本相同的方式通過整流器結(jié)構(gòu)為電容器45充電，如圖7的公知安排中所示的壓電元件60為電容器40充電。然而，在本發(fā)明中，電容器45為一個具有較小容量的高電壓電容器，而不是具有較高容量的高電壓電容器40。電壓探測器和控制器110與電容器45耦合，且監(jiān)測電容器45兩端的電壓。在電壓達(dá)到閾值水平時，電壓探測器和控制器110產(chǎn)生一個控制信號，該信號啟動單循環(huán)降壓轉(zhuǎn)換器200。單循環(huán)轉(zhuǎn)換的啟動只將能量的一小部分從電容器45傳送到電容器55，以保證電容器45保持在一個接近于最優(yōu)功率輸出水平的電壓范圍內(nèi)工作。在本發(fā)明中，電容器55可以是具有較大電容的低電壓電解、陶瓷、或其它類型的電容器，當(dāng)其通過該單循環(huán)降壓轉(zhuǎn)換器的多次操作被充電時，作為在此公開的第一級高儲能裝置執(zhí)行能量調(diào)節(jié)安排的功能。
依據(jù)本發(fā)明描述的一般操作可稱作為“分級轉(zhuǎn)換”系統(tǒng)，對比前述的整體轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。依據(jù)本發(fā)明，當(dāng)電荷累積時轉(zhuǎn)換循環(huán)開始，即，成為“可用”，從由壓電帶60撓曲產(chǎn)生的電荷超過電容器的閾值。這種可用的高電壓到低電壓、高電流形式的轉(zhuǎn)換，即時允許任何負(fù)載裝置從本發(fā)明的能量調(diào)節(jié)安排中汲取運轉(zhuǎn)電能，從而消除與已知的系統(tǒng)相關(guān)的可能的延遲。本分級轉(zhuǎn)換方法的附加優(yōu)點存在于以下事實中，即相對于已知的脈沖寬度調(diào)制型轉(zhuǎn)換器而言，結(jié)果是轉(zhuǎn)換器更簡單，更便宜，結(jié)構(gòu)更小，重量更輕。被啟動的單循環(huán)轉(zhuǎn)換的閾值可以固定在一個特定的電壓值，或者根據(jù)需要而改變，比如在改變輪胎負(fù)載這樣的不同運轉(zhuǎn)條件下保持最大功率輸出。
電壓探測器和控制器110可以是任何形式，現(xiàn)結(jié)合圖3和圖4說明它的兩個示例性實施例。如以下更加完整的描述，圖3和圖4所述的實施例表示簡單控制機制的例子，然而一個微控制器或相似裝置可選地被用于為轉(zhuǎn)換器提供更智能的控制，這里將參考圖2做一般性的討論。
參考圖2，這里示出了在圖1中所示的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的替代安排的示意圖。在這個可選實施例中，壓電元件60以如圖1的實施例相同的方式應(yīng)用于在主輪胎移動的同時基于壓電元件60的撓曲而提供電荷。由壓電元件60產(chǎn)生的電荷通過一個全波橋式整流器62，可選的高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換器200’，可選的到電容器55’的絕緣二極管64和到電容器45’的絕緣二極管64’?？蛇x的二極管64”可用作微控制器110’的運行電能的可選路徑，這些將在此后作更完整的描述。電容器45’與圖1的電容器45相似，其中它是與電容器55’相比具有較小容量的電容器，而電容器55’與圖1的電容器55相似，它是具有較大容量的電容器。高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換器200’可以依賴，也可以不依賴用于本系統(tǒng)的不同的控制和功率消耗裝置的運轉(zhuǎn)電壓需要。因此，電容器45’和55’的運轉(zhuǎn)電壓說明不同于圖1的電容器45和55的說明，該說明依賴于是否提供可選的高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換器200’。
不考慮該系統(tǒng)的不同組件的運轉(zhuǎn)電壓需要和是否提供可選的高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換器200’，如圖1的電容器45，其選定具有較小電容值，以致電容器可以快速充電以使微控制器110’快速打開，或在其它應(yīng)用中，其被選定為其它任何低功率需求裝置。這樣，微控制器110’能夠立即開始那些要求較小功率的任務(wù)，例如讀取不同的傳感器，計算轉(zhuǎn)數(shù)等。電容器55’，由于具有較大電容值，充電較慢，且通過電子開關(guān)66受微控制器110’的電壓調(diào)節(jié)控制。在充電較慢的電容器55’充電時，其兩端的電壓可通過連接線69如一類“燃料計量器”般由微控制器110’監(jiān)測。連接線69即可用作感應(yīng)線也可用作電能供給線，這些將在此后進(jìn)一步討論。
當(dāng)電容器55’上的累積電荷形式的“燃料”變得可用，微控制器110’可以操作電子開關(guān)67，68來選擇性地給高功率消耗裝置57，58和/或其它高功率消耗功能提供累積的電荷。功率消耗裝置57，58可以包括如附加傳感器、RF或其它類型的傳輸裝置、存儲裝置、或其它任何需要較高運轉(zhuǎn)功率的裝置的元件。其它高功率消耗功能可以是由標(biāo)準(zhǔn)低功率需求的微控制器執(zhí)行的高功率需求功能。例如，當(dāng)高功率變得可用時，那些由微控制器實現(xiàn)的功能將可能從具有高電容值的電容器55’提供補充能量給微控制器，這個過程通過，例如，連接線69或另一專用能量供給線實現(xiàn)。進(jìn)一步地，也可能提供補充能量以在這樣的時段中支撐低功率需求的微控制器的長時間運轉(zhuǎn)，在該時段中低電容電容器45’在延伸的空閑階段耗盡它自己的電荷，所謂的空閑階段，如車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)。這樣的補充能量可以通過連接線69或可選二極管64”提供?？梢試?yán)格地理解，雖然只有兩個功率消耗裝置被示出，但是任意多的這樣的裝置，對應(yīng)的由系列連接的微控制器控制的電子開關(guān)，和標(biāo)準(zhǔn)低功率需求裝置的高功率需求功能仍可以被提出，如那些組合的特定應(yīng)用所需。
依據(jù)本發(fā)明，當(dāng)裝配在輪胎上或其中的一個電子裝置需要運轉(zhuǎn)能量時，低功率能量幾乎立即可用。該低電壓儲能裝置可以是多個裝置或多級，包括，但不限于前述的電容器45，45’，55和55’。該存儲裝置可以，例如，是一個或多個電容器，超級電容器，和不同類型的可再充電裝置，例如電池，因此允許為電子裝置的延伸運行的快速供電和長時儲能，甚至當(dāng)該輪胎被制動或是很慢地轉(zhuǎn)動時。此外，提出了多級存儲裝置的不同組合。例如，一第一多級存儲裝置可提供多個較高的電壓源，由于使用了小電容值存儲裝置，該第一多級存儲裝置很快可用，并且一第二高功率存儲裝置，通過更小電容值的存儲裝置的控制電荷轉(zhuǎn)移變得可用。隨附的此第一多級存儲裝置可以是第二，甚至是第三或更多這樣的裝置，這些裝置可選地包括一高電壓到低電壓轉(zhuǎn)換器，以便在兩個這樣的多級存儲裝置(或三個及更多)之間，容納多個電壓水平和供電容量。
參考圖3，示出了本發(fā)明的電能收集和調(diào)節(jié)安排的示例性實施例，該技術(shù)使用了由穩(wěn)壓二極管120確定的閾值電壓，一個簡易的電壓探測器130來控制一傳統(tǒng)的降壓調(diào)節(jié)器，和一個如電容器55的單級主能量存儲裝置。當(dāng)穩(wěn)壓二極管120是33伏的裝置時，電壓探測器130可以是，例如S-80825型，2.5伏的輸出電壓探測器。因為由該壓電帶60提供的平均電流非常低，該電壓探測器130的輸出是固有的單穩(wěn)態(tài)，并且每次當(dāng)電壓閾值超出時，它如弛張振蕩器一般產(chǎn)生單輸出脈沖。值得注意的是，輪胎的單轉(zhuǎn)數(shù)可以導(dǎo)致不止一個轉(zhuǎn)換循環(huán)，而可產(chǎn)生一些轉(zhuǎn)換循環(huán)，若每個轉(zhuǎn)換循環(huán)由電容器45傳送到電容器55的能量低于輪胎一個轉(zhuǎn)數(shù)中由壓電帶60傳送的能量。不同地，若在輪胎一個轉(zhuǎn)數(shù)中由壓電帶60傳送的能量低于單個轉(zhuǎn)換循環(huán)中傳送的能量，則平均下來每個轉(zhuǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換循環(huán)要低于1。晶體管310，320和穩(wěn)壓二極管340與所示的未編號的相關(guān)電阻器一同對應(yīng)一個選通低漏分路調(diào)節(jié)器。然而，任何其它已知的對應(yīng)調(diào)節(jié)安排可用于替代在此所示的選通調(diào)節(jié)器，其顯見于相關(guān)技術(shù)的原始技術(shù)中。這樣的調(diào)節(jié)器可用于保持轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，該電壓處在適用于任何由本發(fā)明的功率調(diào)節(jié)電路激勵的電子裝置的前述值。在一個示例性實施例中，該電壓調(diào)節(jié)器可保持電容器55兩端的電壓在一個選定值，該選定值在大約3.0伏到大約5.0伏的范圍內(nèi)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，晶體管210和220，感應(yīng)器230，二極管240和其它被編號的相關(guān)部件組成前述傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器，以提供從電容器45到輸出電容器55的電荷轉(zhuǎn)移。
參考圖4，示出了本發(fā)明的電能收集和調(diào)節(jié)電路的另一示例性實施例。圖4所示的示例性實施例在兩個方面與圖3的實施例不同。第一，圖4中未示出分路調(diào)節(jié)器。這樣的省略并不表示這個調(diào)節(jié)器應(yīng)該被省略，而是指該調(diào)節(jié)器被省略只是為了簡化。第二，穩(wěn)壓二極管120和電壓探測器130的位置被調(diào)換了。除了這些改變外，電阻器140，150和穩(wěn)壓二極管160被加入以幫助電壓探測器和控制器電路的暫態(tài)抑制控制。圖4中示出的該電能收集和調(diào)節(jié)實施例以與圖3所示的實施例基本相同的方式操作。即，當(dāng)電容器45兩端的電壓建立了由穩(wěn)壓二極管120和電壓探測器130的聯(lián)合值確定的水平，在電壓探測器的輸出終端產(chǎn)生一個脈沖，然后該電壓探測器允許由晶體管210和220，感應(yīng)器230，二極管240和其它未編號的相關(guān)組件組成的傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器將電荷從電容器45傳送到輸出電容器55。隨后，該電能收集和調(diào)節(jié)模塊的輸出可優(yōu)選地用于為輪胎或車輪組件中的電子系統(tǒng)供電。在圖6中示出了包括傳感器、微控制器、和RF發(fā)射器的輪胎電子系統(tǒng)的一個例子，將在之后更完整地描述。
現(xiàn)在將詳細(xì)參考為集成在輪胎或車輪組件中的電子系統(tǒng)發(fā)電的本發(fā)明系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施例?，F(xiàn)參考附圖，圖5提出了一個依據(jù)本發(fā)明的具有集成的自供電電子組件12(更特別如圖6所示)的示例性充氣輪胎組件10的一般橫截面視圖。特別應(yīng)該理解，這里所示的示例性輪胎橫截面視圖可被通常認(rèn)為是常規(guī)充氣輪胎，本發(fā)明不限于與這樣的輪胎相連，而也是與所謂的轉(zhuǎn)動一平(run-flat)輪胎相連，該轉(zhuǎn)動一平輪胎與這里所示的輪胎的橫截面視圖由少許不同。
一個發(fā)電裝置60和電能收集和調(diào)節(jié)電路12優(yōu)選地與電子組件28、29、30、32、34、36、38接合，這些電子組件又與輪胎結(jié)構(gòu)16相連，以此電子組件在輪胎組件10內(nèi)自供電。如圖6所示，電子組件28和29圖解性地分別示出了溫度和壓力傳感器，其中組件30、32和34分別表示為傳感器X、Y和Z，傳感器X、Y和Z可為任何期望的感應(yīng)元件，或，也可以是以相似于傳感器的方式作用的信息存儲裝置，在傳感器中，相對于有關(guān)輪胎的數(shù)據(jù)以相似的方式通過微處理器36和RF發(fā)射器38傳送給外部接收裝置(未示出)，在該方式中，溫度和壓力數(shù)據(jù)被傳送給傳感器28和29。作為一個非限制例，“傳感器”30、32和34可為附加的物理環(huán)境響應(yīng)裝置，例如，可與傳感器28和29分開放置的附加溫度和壓力感應(yīng)裝置，車速傳感器，輪胎旋轉(zhuǎn)傳感器，輪胎偏轉(zhuǎn)傳感器，或其它物理或操作型傳感器，“傳感器”30、32和34可為包含了信息的信息存儲裝置，該信息為制造商、生產(chǎn)日、產(chǎn)品信息和其它可與輪胎或其組合相連的數(shù)據(jù)。應(yīng)該理解，除了本說明書中公開的特定技術(shù)，依據(jù)在此公開的技術(shù)的其它電子裝置可與本發(fā)明發(fā)電技術(shù)應(yīng)用。美國專利NO.5,749,984公開了輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的其它方面，該輪胎監(jiān)測系統(tǒng)可用于本發(fā)明，且在此并入作為參考。輪胎電子系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)(GPS)耦合，以確定車輪的精確位置。壓電發(fā)電，電能收集和調(diào)節(jié)安排可選地用于激勵車輪組件中的燈組件或反饋系統(tǒng)。依據(jù)本公開技術(shù)的方面可自供電的電子應(yīng)用的數(shù)量是很大的，且不應(yīng)限制在本發(fā)明中。
本發(fā)明發(fā)電，功率和調(diào)節(jié)裝置的能力提供了大量的優(yōu)點，這些優(yōu)點優(yōu)于在輪胎組件中提供功率的常規(guī)技術(shù)。天線波束能量提取技術(shù)，如前所述，不再是一個對輪胎電子元件供電的限制選擇。同樣地，許多類型的輪胎電子元件的功能能量得到提升。使用電池供電的選擇不再重要，因此避免了昂貴的和麻煩的電池替換。雖然本公開的技術(shù)提出了可去除天線波束供電和電池供電的裝置，但是應(yīng)該理解，發(fā)電裝置可以使用壓電技術(shù)和/或電池和/或天線波束提取的多種組合來為車輪組件中的不同選定電子組件供電。
如圖5所示，一種典型的輪胎結(jié)構(gòu)，其特征在于支撐外部胎面部分18的胎冠15和延伸至胎圈部分22的側(cè)壁20。側(cè)壁20一般在部件線17和19間延伸，且胎冠15一般在兩根部件線19間延伸。輪胎胎圈22通常給提供以便輪胎結(jié)構(gòu)16可以有效地固定在車輪組件的輪輞上。一個不透氣材料的內(nèi)襯墊形成了輪胎的內(nèi)表面，該內(nèi)襯墊包括內(nèi)胎冠表面24和內(nèi)側(cè)壁表面26。胎體23在跨過側(cè)壁部分20的胎圈22與胎冠15間延伸，并且在膨脹壓力下確定了輪胎的形狀，和為牽引和操縱傳送作用力。帶式附件21位于沿胎冠15的輪胎結(jié)構(gòu)16內(nèi)。
發(fā)電，電能收集和調(diào)節(jié)裝置14，如圖5的示例性輪胎組件的實施例所示，可裝配于輪胎結(jié)構(gòu)16的內(nèi)胎冠表面24。這個位置通常在外部胎面部分18沿地面移動且導(dǎo)致輪胎結(jié)構(gòu)16撓曲時，啟動所述裝置14內(nèi)的壓電元件。當(dāng)輪胎組件10沿表面移動時，與通常的機械振動耦合的該輪胎撓曲部分使發(fā)電裝置14中的壓電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電流，其后該電流被調(diào)節(jié)和存儲在儲能裝置中，以為輪胎電子元件12供電。雖然該內(nèi)胎冠表面24對于裝配發(fā)電裝置14而言是一個合理的位置，但是應(yīng)當(dāng)理解，裝置14也被裝配在如內(nèi)側(cè)壁表面26的位置上。這樣的位置在裝置14中的壓電元件上沒有多少應(yīng)變，卻依然為某些電子應(yīng)用提供了足夠的發(fā)電。進(jìn)一步地，裝置14可以裝配和固定在輪胎結(jié)構(gòu)16中；例如，在胎體23和沿表面24和/或26的內(nèi)襯墊之間。依據(jù)不同的裝置14的可能位置，應(yīng)該理解，術(shù)語“集成”通常包含了所有可能的位置，包括裝配在輪胎結(jié)構(gòu)上或其中。
壓電元件發(fā)電可以包括不同的如前述共同未決的申請中所述的壓電材料，其申請在此并入作為參考，并參考作為與壓電元件相連的特定詳細(xì)內(nèi)容。
雖然本發(fā)明已經(jīng)通過特定的實施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員，在理解了上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，很容易得出這些實施例的變化、改變和等價物。因此，本公開的范圍只作為實施例，而不作為對其的限定，并且本發(fā)明公開的內(nèi)容不排除對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言很容易得出的對本發(fā)明的修飾、改變和/或補充。
權(quán)利要求
1.一種具有集成的自供電電子組件的壓電輪胎組件，所述輪胎組件包括一輪胎結(jié)構(gòu)，其特征在于胎冠具有與地面接觸的外胎面部分，胎圈部分將所述輪胎固定在輪輞上，外側(cè)壁部分在每個胎圈部分與胎冠，以及內(nèi)胎冠與側(cè)壁表面之間延伸；一壓電結(jié)構(gòu)，其與所述輪胎結(jié)構(gòu)的選擇部分接合，以便所述壓電結(jié)構(gòu)隨著所述輪胎結(jié)構(gòu)的撓曲，同時產(chǎn)生電能；一電能收集和調(diào)節(jié)模塊，該模塊與所述壓電結(jié)構(gòu)電耦合以接收在壓電機構(gòu)中產(chǎn)生的電能，并將多個輸出電壓提供給所述輪胎結(jié)構(gòu)的撓曲部分；和一電子附件，其與所述電能收集和調(diào)節(jié)模塊連接，從而使所述電子附件的選定功能由選定的多個輸出電壓供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電輪胎組件，其特征在于所述電能收集和調(diào)節(jié)模塊包括電壓整流器和至少兩個儲能裝置，其中電能收所述電壓整流器整流由所述壓電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電能，而所述至少兩個儲能裝置存儲整流過的電能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電輪胎組件，其特征在于所述電壓整流器是全橋式式整流器，且所述至少兩個儲能裝置包括電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電輪胎組件，其特征在于所述至少兩個儲能裝置包括一第一存儲裝置和一第二存儲裝置，其中該第一存儲裝置接收由電壓整流器整流過的電流，且該儲能裝置還包括一個控制器，用于控制從整流器到第二存儲裝置的能量的轉(zhuǎn)移。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的壓電輪胎組件，其特征在于所述控制器是微控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的壓電輪胎組件，其特征在于所述第一存儲裝置和所述第二存儲裝置是電容器，且第一存儲裝置的電容值小于第二存儲裝置的電容值。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的壓電輪胎組件，其特征在于該第一存儲裝置的工作電壓比該第二存儲裝置的工作電壓高。
8.一種與壓電輪胎結(jié)構(gòu)接合的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，被設(shè)計為測量和傳送與預(yù)選定輪胎條件有關(guān)的信息，所述輪胎監(jiān)測系統(tǒng)包括一壓電結(jié)構(gòu)；一電能收集和調(diào)節(jié)模塊，該模塊與所述壓電結(jié)構(gòu)電耦合以接收在壓電機構(gòu)中產(chǎn)生的電荷，將電荷存儲在功率調(diào)節(jié)模塊中，并產(chǎn)生多個輸出電壓；至少一個傳感器，其確定關(guān)于至少一個預(yù)選定輪胎條件的信息；一微控制器，其與所述電能收集和調(diào)節(jié)模塊連接，也與所述至少一個傳感器連接以處理由所述的至少一個傳感器接收到的信息，并產(chǎn)生表示至少一個預(yù)選定輪胎條件的選擇信息；和一RF發(fā)射機，其與所述微控制器電連接以接收來自所述微控制器的信息，在載波信號上調(diào)制選擇信息，并傳送選擇信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述功率調(diào)節(jié)模塊包括將所述壓電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流的電壓整流器、存儲電能的多個儲能裝置和穩(wěn)壓器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述電壓整流器是全橋式整流器，且所述存儲裝置包括多個電容器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述穩(wěn)壓器保持輸出電壓在一個選定水平(從大約3伏到大約5伏)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于從提供的多個傳感器中選擇一些傳感器，以提供有關(guān)充氣輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度和壓力的信息。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于由所述微控制器產(chǎn)生的該選擇信息表示了該輪胎結(jié)構(gòu)的選定溫度和壓力、該輪胎結(jié)構(gòu)所轉(zhuǎn)過的輪胎轉(zhuǎn)數(shù)和輪胎識別標(biāo)簽。
14.一種由接合在車輪組件中的壓電材料產(chǎn)生的發(fā)電方法，所述方法包括以下步驟提供壓電結(jié)構(gòu)，其中所述壓電結(jié)構(gòu)沿車輪組件內(nèi)部的選定位置設(shè)置；使車輪組件經(jīng)過機械應(yīng)變，產(chǎn)生如車輪組件沿表面滾動而導(dǎo)致車輪組件的部分撓曲，并在所提供的壓電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電流；調(diào)節(jié)在壓電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電流；在多個存儲裝置中存儲調(diào)節(jié)后的電流，以便電壓源立刻為與車輪組件相連的電子裝置供電。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的發(fā)電方法，其特征在于所述調(diào)節(jié)步驟包括整流在壓電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電流。
16.一種發(fā)電模塊，包括一壓電元件，其具有輸出端并基于所述壓電元件的撓曲提供一個輸出電壓；一整流器，其具有一個輸入和一個輸出，其中該整流器的輸入與該壓電元件的輸出端耦合；一控制器；一第一存儲元件，其與該整流器的輸出耦合；和一第二存儲元件，其通過所述控制器可控地與所述整流器耦合；其特征在于該壓電元件，基于撓曲，產(chǎn)生一電荷，該電荷被存儲在第一存儲元件中，在到達(dá)一閾值水平時，該電荷被部分地轉(zhuǎn)移到第二存儲元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的發(fā)電模塊，其特征在于第一和第二存儲元件是電容器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的發(fā)電模塊，其特征在于該第一存儲元件的儲能電容比該第二存儲元件的儲能電容小。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的發(fā)電模塊，還包括一個在第一和第二存儲元件之間耦合的轉(zhuǎn)換器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的發(fā)電模塊，其特征在于該轉(zhuǎn)換器是降壓轉(zhuǎn)換器。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的發(fā)電模塊，其特征在于該第一存儲元件的工作電壓比該第二存儲元件的工作電壓高。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的發(fā)電模塊，其特征在于所述控制器需要工作能量，且所述工作能量最初由所述第一存儲元件提供。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的發(fā)電模塊，其特征在于該控制器的追加工作能量由所述第二存儲元件供應(yīng)。
全文摘要
一種由轉(zhuǎn)動輪胎的機械能產(chǎn)生電力的系統(tǒng)和對應(yīng)方法，包括壓電發(fā)電裝置，該壓電發(fā)電裝置與電能收集和調(diào)節(jié)模塊相連。該壓電結(jié)構(gòu)優(yōu)選地裝配在輪胎結(jié)構(gòu)中，以便當(dāng)車輪組件沿地面移動時，在輪胎結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電荷。壓電結(jié)構(gòu)的電極與電能收集和調(diào)節(jié)模塊耦合，其中該電能收集和調(diào)節(jié)模塊整流壓電結(jié)構(gòu)中的合成電流，并將該合成電流調(diào)節(jié)和存儲在多級儲能裝置(優(yōu)選為多個電容器)中。穩(wěn)定電壓源提供存儲在發(fā)電裝置中的能量，并能被用于選擇性地為集成在輪胎或車輪組件中的不同的電子系統(tǒng)供電。一個為所公開的發(fā)電裝置所使用的集成輪胎電子系統(tǒng)的例子對應(yīng)于一個輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將如輪胎壓力、溫度和識別變量這樣的信息無線傳送到遠(yuǎn)程位置的接收機。
文檔編號H02M3/07GK1733513SQ20051008992
公開日2006年2月15日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者P·A·廷德爾 申請人:米其林技術(shù)公司, 米其林研究和技術(shù)股份有限公司