胎壓無(wú)源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電能發(fā)生裝置研究

王文國(guó)，韓璐，張毅

(華晨汽車工程研究院,遼寧沈陽(yáng) 110141)

胎壓無(wú)源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電能發(fā)生裝置研究

王文國(guó)，韓璐，張毅

(華晨汽車工程研究院,遼寧沈陽(yáng) 110141)

針對(duì)目前汽車行業(yè)中常用的直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問(wèn)題，以超磁致伸縮材料作為核心元件，利用其磁致伸縮逆效應(yīng)，設(shè)計(jì)一種可產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置。利用該裝置為汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)發(fā)射模塊供電，可改變紐扣電池的供電方式。研究成果為解決汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問(wèn)題提供一種有效方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)源化具有一定的推動(dòng)作用，為超磁致伸縮材料的應(yīng)用提供一種新途徑。

輪胎壓力；無(wú)源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；磁致伸縮材料；電能發(fā)生裝置

0 前言

汽車在高速行駛過(guò)程中，由于輪胎摩擦較大導(dǎo)致了溫升很快，進(jìn)而引起爆胎等一系列交通事故。輪胎故障尤其是爆胎是較難預(yù)防的故障之一，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高速公路上由爆胎問(wèn)題導(dǎo)致的交通事故占約占所有事故的70%～80%。美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)的最近調(diào)查資料表明，美國(guó)每年約有26萬(wàn)交通事故是由于輪胎氣壓偏低或偏高造成的[1]。因此，如何防止爆胎和輪胎漏氣問(wèn)題的產(chǎn)生已成為保障安全駕駛的一個(gè)重要課題，其中保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。目前，最便捷有效的方法是采用汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在汽車行駛過(guò)程中對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的一種裝置，當(dāng)輪胎氣壓高于或低于設(shè)定的壓力閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

目前，應(yīng)用較為廣泛的胎壓監(jiān)測(cè)方式是直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即利用安裝在輪胎內(nèi)部或輪轂上的壓力傳感器直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)氣壓值予以顯示與監(jiān)測(cè)，且當(dāng)輪胎氣壓過(guò)高時(shí)或過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警[2-4]。直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的輪胎壓力檢測(cè)模塊安裝在輪胎上,當(dāng)前常采用鈕扣電池為其內(nèi)部傳感器和發(fā)射器等進(jìn)行供電，存在著體積與質(zhì)量大、電池需要定時(shí)更換、電池容量受氣溫影響而導(dǎo)致減小、電池中化學(xué)物質(zhì)會(huì)影響環(huán)境等弊端[5]。因此，如何實(shí)現(xiàn)輪胎檢測(cè)模塊的低功耗、延長(zhǎng)電池使用壽命是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前主要通過(guò)選用低功耗的芯片、大容量的電池、喚醒技術(shù)以及一些智能低功耗算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗,除此之外,人們正在努力研究無(wú)源的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)[6]。

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的超磁致伸縮材料具有雙向能量轉(zhuǎn)換特性，即在一定條件下可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電磁能之間的相互轉(zhuǎn)化。磁致伸縮逆效應(yīng)是超磁致伸縮材料具有的重要特性之一，材料發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)時(shí)其磁化狀態(tài)產(chǎn)生變化，是機(jī)械能向電磁能轉(zhuǎn)換的過(guò)程[7-10]。因此，針對(duì)解決汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電問(wèn)題的迫切需求，結(jié)合我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)，文中提出采用超磁致伸縮材料，利用磁致伸縮逆效應(yīng)特性，并與法拉第電磁效應(yīng)融合，研究一種汽車輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的電能發(fā)生裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器與發(fā)射器供電。研究成果為超磁致伸縮材料的應(yīng)用提供一種新途徑，將為解決汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問(wèn)題提供一種有效方法，對(duì)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)源化具有一定的推動(dòng)作用。

1 無(wú)源汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理

1.1 汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

有源直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由4個(gè)輪胎檢測(cè)發(fā)射模塊和1個(gè)中央接收顯示模塊組成。4個(gè)輪胎檢測(cè)發(fā)射模塊分別安裝在汽車的4個(gè)輪胎上，安裝方式采用氣門(mén)嘴外置式。輪胎檢測(cè)發(fā)射模塊由壓力傳感器、MCU、RF發(fā)射器、天線構(gòu)成，采用鈕扣電池為傳感器、MCU和RF發(fā)射器供電。通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)輪胎內(nèi)的壓力，MCU對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)高頻無(wú)線發(fā)射芯片同安裝在車身的中央接收顯示模塊進(jìn)行通信，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。中央接收顯示模塊由RF接收器、MCU、LCD和天線構(gòu)成，由汽車的車載電源為RF接收器、MCU和LCD供電，完成壓力信號(hào)的接收、解調(diào)、處理、顯示和報(bào)警。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)氣壓，當(dāng)輪胎狀態(tài)異常時(shí)，立即發(fā)送輪胎狀態(tài)信息，中央接收顯示模塊對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行接收確認(rèn)，隨后向駕駛員發(fā)出聲光警報(bào)并提示輪胎出現(xiàn)異常狀況。

由于中央接收模塊安裝在車身,可由汽車電源供電,而輪胎檢測(cè)模塊安裝在輪胎上,需要利用其他方法供電，直接式汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用鈕扣電池供電。但是，電池供電存在著能量有限需要定時(shí)更換、容量易受氣溫影響、電池中化學(xué)物質(zhì)會(huì)影響環(huán)境等問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，文中利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)特性，設(shè)計(jì)一種胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能量源裝置，代替紐扣電池為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)發(fā)射模塊供電。

1.2 超磁致伸縮材料發(fā)電的實(shí)現(xiàn)原理

作為發(fā)電裝置的核心元件，磁致伸縮材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其實(shí)現(xiàn)原理是基于超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)。磁致伸縮逆效應(yīng)是指鐵磁性材料受到機(jī)械力作用，材料產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，同時(shí)內(nèi)部的磁化狀態(tài)也隨之改變，導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。超磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)的過(guò)程如圖2所示。

磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)時(shí)，材料內(nèi)部磁疇發(fā)生移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)。對(duì)于正磁致伸縮材料，拉應(yīng)力的作用將使磁化方向轉(zhuǎn)向拉應(yīng)力方向，加強(qiáng)了拉應(yīng)力方向的磁化作用，材料在拉應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大；壓應(yīng)力將使磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于應(yīng)力的方向，削弱了壓應(yīng)力方向的磁化作用，材料在壓應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率減小。對(duì)于負(fù)磁致伸縮材料，情況正好相反。因此，對(duì)于當(dāng)前常用的棒狀磁致伸縮材料，僅受壓應(yīng)力作用時(shí)，其磁化強(qiáng)度方向趨于與壓應(yīng)力垂直的方向。

超磁致伸縮材料受到外界力或振動(dòng)作用，內(nèi)部磁通密度發(fā)生變化，若材料周圍存在線圈，將發(fā)生法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，變化的磁通密度將引起線圈內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電壓。此時(shí)，通過(guò)能量收集電路或元件，對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)后的能量，經(jīng)過(guò)后續(xù)電路調(diào)理后，可轉(zhuǎn)換為所需要的任意形式電壓。

汽車行駛時(shí)，車輪在地面上不斷地滾動(dòng)，存在著豐富的動(dòng)能；同時(shí)，由于路面的凸凹不平和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)等原因，會(huì)引起汽車的振動(dòng)。利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)與法拉第電磁感應(yīng)的耦合特性，將這些機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的檢測(cè)發(fā)射模塊工作時(shí)，儲(chǔ)能元件開(kāi)始放電，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為傳感器與發(fā)射模塊所需要的電壓形式并為其供電，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的取代過(guò)程。

2 發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中以超磁致伸縮材料為關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)的汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能量源裝置原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由超磁致伸縮材料、釹鐵硼永磁鐵、電工純鐵磁軛、線圈組成。汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和力作用在超磁致伸縮材料上，材料發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)，且其內(nèi)部磁通密度發(fā)生變化。由于超磁致伸縮材料周圍存在電磁線圈，因此磁致伸縮逆效應(yīng)將與法拉第電磁效應(yīng)發(fā)生耦合，變化的磁通密度將使線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，將外界振動(dòng)輸入轉(zhuǎn)化成了電能輸出。

根據(jù)超磁致伸縮材料的特性，為了使其在工作過(guò)程中對(duì)外界振動(dòng)具有更強(qiáng)的敏感性，在能量源裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用釹鐵硼永磁鐵為超磁致伸縮材料提供預(yù)磁化磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料內(nèi)部磁疇的初始磁化。同時(shí)，利用兩片電工純鐵磁軛對(duì)磁力線進(jìn)行引導(dǎo)，保證磁力線盡可能多地穿過(guò)超磁致伸縮材料，兩片電工純鐵與永磁鐵和超磁致伸縮材料構(gòu)成一個(gè)封閉的磁回路，降低了磁泄漏。

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖3的設(shè)計(jì)，研制了磁致伸縮發(fā)電裝置樣機(jī)，并對(duì)其在靜態(tài)力和簡(jiǎn)諧力作用下的輸出電壓特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別采用壓力機(jī)和激振器為樣機(jī)施加靜態(tài)力和簡(jiǎn)諧正弦力，壓電力傳感器測(cè)量作用在磁致伸縮振子上的靜態(tài)力和簡(jiǎn)諧力，示波器監(jiān)測(cè)顯示裝置產(chǎn)生的輸出電壓。

通過(guò)壓力機(jī)以25 N遞增變化向磁致伸縮伸縮振子施加0～600 N力，測(cè)得的輸出電壓結(jié)果如圖4(a)所示。

隨著輸入力的增大，磁致伸縮發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓逐漸增加。除了作用力較小時(shí)以外，輸出電壓與作用力之間為近似的線性關(guān)系。

通過(guò)激振器分別向磁致伸縮振子施加振動(dòng)頻率為160 Hz的簡(jiǎn)諧力，振動(dòng)幅值分別為30、60和90 N，測(cè)得的輸出電壓結(jié)果見(jiàn)圖4(b)。磁致伸縮發(fā)電裝置輸出與作用力頻率相同的電壓，并且電壓也以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化，且隨著作用力幅值的增大，輸出電壓幅值增加。在幅值為30、60和90 N簡(jiǎn)諧力作用下，其輸出電壓幅值分別約為1.8、3.7和5.4 V?？梢?jiàn)，產(chǎn)生的輸出電壓幅值與外界作用力的幅值近似成正比。

4 結(jié)論

由于直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電池供電存著電池需要定期更換、電池容量易受溫度和環(huán)境的影響、電池中化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等問(wèn)題，利用超磁致伸縮材料研究了一種電能發(fā)生裝置。闡述了磁致伸縮電能發(fā)生裝置的工作原理，它主要是依據(jù)磁致伸縮逆效應(yīng)和法拉第電磁效應(yīng)發(fā)生耦合的特性，實(shí)現(xiàn)了汽車振動(dòng)等機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，它主要由超磁致伸縮材料、永磁鐵、電工純鐵磁軛和線圈組成。同時(shí)，以研制的電能發(fā)生裝置為對(duì)象，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)電裝置產(chǎn)生的輸出電壓與靜態(tài)作用力之間為近似的線性關(guān)系；當(dāng)作用力為簡(jiǎn)諧力時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓的頻率與力的頻率形同，且隨著力幅值的增加，電壓幅值也增大，輸出電壓幅值與力幅值近似成正比。

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StudyonthePowerGeneratingDeviceforAutomobileTirePressurePassiveMonitoringSystem

WANG Wenguo, HAN Lu, ZHANG Yi

(Brilliance Automotive Engineering Research Institute,Shenyang Liaoning 110141,China)

In view of the power supply problem of direct tire pressure monitoring system in automobile industry commonly at present, a generating electricity device was designed in which the core element was giant magnetostrictive material. In the device, its design principle was based on the magnetostrictive inverse effect. The device could provide power for automobile tire pressure monitoring system, thus the button battery power supply mode could be changed. Research result provides an effective method for solving the power supply issue of automobile tire pressure monitoring system and it plays a certain promoting role for realizing passivity method of automobile tire pressure monitoring system. Moreover, it provides a new way for giant magnetostrictive materials application.

Tire pressure; Passive monitoring system; Magnetostrictive material；Power generating device

2013-10-23

王文國(guó)(1981—)，男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槠囯娖鳌-mail：wenguo.wang@brilliance-auto.com。