汽車無源胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)電裝置的實(shí)現(xiàn)方法研究

劉慧芳，何曉峰，麻洪序，王文國(guó)

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870；2.華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧沈陽(yáng) 110044)

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汽車無源胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)電裝置的實(shí)現(xiàn)方法研究

劉慧芳1，何曉峰1，麻洪序1，王文國(guó)2

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870；2.華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧沈陽(yáng) 110044)

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)供電問題，以超磁致伸縮材料作為核心元件，利用磁致伸縮逆效應(yīng)與法拉第電磁效應(yīng)的耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種可通過收集振動(dòng)產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置。通過對(duì)無源胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理的分析，完成了磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及樣機(jī)的研制。通過實(shí)驗(yàn)研究了樣機(jī)在靜態(tài)振動(dòng)力和動(dòng)態(tài)振動(dòng)力作用下的工作特性，結(jié)果表明該裝置產(chǎn)生的輸出電壓與靜態(tài)輸入力之間為近似的線性關(guān)系；在簡(jiǎn)諧振動(dòng)力作用下，該樣機(jī)產(chǎn)生的輸出電壓與輸入力頻率相同，且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)輸出電壓幅值與力幅值近似呈正比。研究成果為實(shí)現(xiàn)汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無源化提供了一種新方法。

汽車；輪胎壓力；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；磁致伸縮；振動(dòng)發(fā)電；無源

0 引言

為了保證汽車保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛并及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣問題，目前主要采用輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)輪胎中的氣壓。對(duì)于輪胎壓力檢測(cè)模塊中的壓力傳感器、射頻發(fā)射等電子元件，多采用傳統(tǒng)的紐扣電池進(jìn)行供電。該供電方式存在著電池需要定時(shí)更換、電池容量易受氣溫影響、化學(xué)物質(zhì)影響環(huán)境等弊端[1-2]。因此，研究一種可取代電池為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供工作電能的能量源是提高汽車質(zhì)量與性能亟需解決的課題之一。

因路面顛簸、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等因素，使得汽車在行駛過程中存在著豐富的振動(dòng)能量。因此，可通過一定的方法對(duì)汽車中的振動(dòng)能量進(jìn)行收集，并將其轉(zhuǎn)換為電能而為胎壓檢測(cè)模塊供電。目前，研究相對(duì)較為廣泛的汽車振動(dòng)發(fā)電技術(shù)是基于壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，然而與此相關(guān)的理論和技術(shù)研究剛剛起步，并且多數(shù)仍處于研究和試制階段。例如，美國(guó)D.Snyder提出通過將壓電彈簧片用于汽車胎壓傳感器中而提出一種用于汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換發(fā)生器，當(dāng)車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電彈簧片產(chǎn)生彎曲進(jìn)而產(chǎn)生電能[3]。Van den Ende等學(xué)者用壓電陶瓷聚合物復(fù)合材料研制一種直接式壓電應(yīng)變能量收集器，該能量收集器可為汽車輪胎中的無線自主傳感器供電[4]。Mak等研制一種用于胎壓測(cè)量的壓電能量收集器，通過將緩沖塊集成于收集器中的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)振幅限制[5]。Lee等研制一種安裝在輪胎里的能量收集器，基于此能夠形成一種自供電式無線傳感器系統(tǒng)。當(dāng)在500 kgf(1 kgf=9.8 N)載荷作用下、600 km/h的速度下，該壓電能量收集器每轉(zhuǎn)一圈可產(chǎn)生380.2 μJ的能量[6]。吉林大學(xué)也正在開展有關(guān)用于輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓電材料發(fā)電裝置的研究工作[7]。但是，壓電材料自身具有的蠕變、對(duì)機(jī)械振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)感應(yīng)的靈敏度低、易于老化、去極化及高脆性等缺陷，限制了壓電振動(dòng)發(fā)電技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用[8]。

超磁致伸縮材料是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的功能材料，磁致伸縮逆效應(yīng)是該材料具有的重要物理效應(yīng)之一，即受到力或振動(dòng)作用時(shí)，超磁致伸縮材料將發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)，進(jìn)而材料內(nèi)部的磁化狀態(tài)和磁通密度發(fā)生變化[9]。因此，以磁致伸縮逆效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用超磁致伸縮材料吸收汽車中的振動(dòng)能量并將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為磁能；再利用法拉第電磁效應(yīng)，通過超磁致伸縮材料周圍的感應(yīng)線圈將磁能轉(zhuǎn)換為電能，最終實(shí)現(xiàn)通過吸收汽車中的振動(dòng)而產(chǎn)生電能的發(fā)電過程。與壓電材料、形狀記憶合金等功能材料相比，超磁致伸縮材料具有能量密度高、磁機(jī)耦合效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[10]，因此磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電過程將具有響應(yīng)速度快、電能易于收集、輸出電壓高且易于調(diào)整，電荷不易丟失等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。超磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電技術(shù)將是解決汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電問題的一種更為有效的途徑。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于超磁致伸縮材料的研究主要集中在其在流體機(jī)械、線性驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、聲吶系統(tǒng)、航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，尚未有關(guān)磁致伸縮材料振動(dòng)發(fā)電的研究成果報(bào)道。

針對(duì)解決汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電問題的迫切需求，本文提出采用超磁致伸縮材料，利用磁致伸縮逆效應(yīng)特性與法拉第電磁效應(yīng)的耦合作用，研究了一種汽車無源輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電能發(fā)生裝置的實(shí)現(xiàn)機(jī)理與方法。

1 磁致伸縮輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

1.1 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。中央接收顯示模塊安裝在駕駛室內(nèi)，主要用于對(duì)輪胎壓力信號(hào)的接收、解調(diào)和處理，并且完成輪胎壓力信號(hào)的顯示和報(bào)警功能。其主要包括射頻發(fā)射接收發(fā)射器(RF發(fā)射接收器)、微處理器單元(MCU)、液晶顯示單元(LCD)和天線，其中，RF發(fā)射接收器、MCU和LCD等由汽車上的車載電源供電。檢測(cè)發(fā)射模塊通過氣門嘴外置的方式分別安裝在4個(gè)輪轂上，其由壓力傳感器、MCU、RF發(fā)射接收器和天線構(gòu)成。

圖1 有源直接式汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)輪胎內(nèi)的氣體壓力，MCU對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過高頻無線RF發(fā)射接收器同中央接收顯示模塊中的RF發(fā)射接收器進(jìn)行通信，將壓力數(shù)據(jù)無線傳輸給中央接收顯示模塊中的MCU，MCU對(duì)信息分析處理后將輪胎壓力情況予以顯示、報(bào)警。

目前，對(duì)于直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，輪胎壓力檢測(cè)發(fā)射模塊中的壓力傳感器、MCU及RF發(fā)射接收器通過紐扣電池提供工作電能。該供電方式限制了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命及壓力信號(hào)檢測(cè)與發(fā)射的次數(shù)。為解決該問題，本文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，代替紐扣電池為檢測(cè)發(fā)射模塊供電。

1.2 磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電過程的實(shí)現(xiàn)原理

利用磁致伸縮材料將輸入振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能輸出的實(shí)現(xiàn)原理是以該材料的磁致伸縮逆效應(yīng)特性為基礎(chǔ)。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[11]。超磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)的過程如圖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)力的作用使磁化方向轉(zhuǎn)向作用力的方向，材料在拉應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大；壓應(yīng)力使磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于作用力的方向，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，磁導(dǎo)率的變化情況恰好相反。目前，常用的棒狀磁致伸縮材料多為正磁致伸縮材料，材料受到外界力或振動(dòng)作用后，其磁導(dǎo)率的變化將引起材料內(nèi)部磁通密度發(fā)生變化，若材料周圍存在線圈，線圈內(nèi)部將發(fā)生法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，變化的磁通密度使線圈內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電壓。此時(shí)，通過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)過后續(xù)電路調(diào)理后，可轉(zhuǎn)換為電子元件工作所需的任意形式電壓。

(a)自由狀態(tài)F=0(b)正磁致伸縮材料(c)正磁致伸縮材料

(d)負(fù)磁致伸縮材料 (e)負(fù)磁致伸縮材料圖2 磁致伸縮逆效應(yīng)原理圖

汽車行駛過程中，由于路面的凸凹不平及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等原因使車輪中存在著豐富的動(dòng)能。因此，利用磁致伸縮逆效應(yīng)與法拉第電磁感應(yīng)的耦合特性，通過超磁致伸縮材料收集汽車中的振動(dòng)機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能，便可實(shí)現(xiàn)磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電過程；當(dāng)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)，放電控制系統(tǒng)控制儲(chǔ)能元件放電，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將電能轉(zhuǎn)換為電子元件所需要的工作電壓，進(jìn)而取代電池實(shí)現(xiàn)為壓力傳感器及射頻發(fā)射模塊的供電過程。

2 磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的汽車無源輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電能發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，該發(fā)電裝置中的振動(dòng)能量收集元件選用圓柱棒狀的超磁致伸縮材料，其他關(guān)鍵元件主要有釹鐵硼永磁鐵、電工純鐵磁軛、感應(yīng)線圈。汽車行駛過程中輪胎中的振動(dòng)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)并且內(nèi)部磁通密度發(fā)生變化。磁致伸縮效應(yīng)與法拉第電磁效應(yīng)在感應(yīng)線圈中發(fā)生耦合作用，變化的磁通密度引起線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。最終，通過超磁致伸縮材料實(shí)現(xiàn)了輪胎中的振動(dòng)機(jī)械能向感應(yīng)線圈中電能的轉(zhuǎn)換過程，即將振動(dòng)輸入轉(zhuǎn)化成了電能輸出。

圖3 磁致伸縮發(fā)電裝置原理結(jié)構(gòu)

在對(duì)超磁致伸縮材料工作特性的研究過程中發(fā)現(xiàn)，材料的初始磁化狀態(tài)對(duì)磁致伸縮逆效應(yīng)特性具有較大影響。因此，為了使超磁致伸縮材料在工作過程中產(chǎn)生更強(qiáng)的磁致伸縮逆效應(yīng)作用，即對(duì)外界振動(dòng)具有更強(qiáng)的敏感性，本文在設(shè)計(jì)磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電裝置過程中，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)，對(duì)材料內(nèi)部的磁疇進(jìn)行初始磁化。同時(shí)，利用2片電工純鐵磁軛對(duì)磁力線的通過路徑進(jìn)行引導(dǎo)，保證在超磁致伸縮材料中穿過更多的磁力線，并且磁軛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，使得磁致伸縮逆效應(yīng)與法拉第電磁效應(yīng)發(fā)生較強(qiáng)的耦合。

3 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖3對(duì)磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)，研制了磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電裝置樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)在靜態(tài)力和簡(jiǎn)諧力作用下的工作特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)過程中，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)量作用在磁致伸縮發(fā)電裝置上的實(shí)際靜態(tài)力和簡(jiǎn)諧力，示波器監(jiān)測(cè)作用在振動(dòng)發(fā)電裝置上的輸入振動(dòng)力及其輸出電壓。

通過壓力機(jī)以25 N的間隔向磁致伸縮伸縮發(fā)電裝置施加0～600 N的靜態(tài)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。除了當(dāng)振動(dòng)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。

通過激振器分別向磁致伸縮發(fā)電裝置施加頻率為200 Hz的振動(dòng)簡(jiǎn)諧力，振動(dòng)幅值分別為30 N、60 N和90 N，測(cè)得的輸出電壓結(jié)果如4(b)所示。磁致伸縮發(fā)電裝置輸出的電壓以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化，頻率與輸入力的頻率相同。在幅值為30 N、60 N和90 N簡(jiǎn)諧力作用下，輸出電壓幅值分別約為1.8 V、3.7 V和5.4 V。并且，隨著振動(dòng)力振幅的增大，發(fā)電裝置輸出電壓的幅值也增加，且輸出電壓的幅值與輸入力的幅值近似呈正比。

(a)靜態(tài)力

(b)簡(jiǎn)諧力圖4 輸出電壓與振動(dòng)力的關(guān)系

4 結(jié)束語

針對(duì)解決直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電池供電存的弊端，本文基于磁致伸縮逆效應(yīng)和法拉第電磁效應(yīng)的耦合效應(yīng)，利用超磁致伸縮材料通過收集汽車運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)能量，研究了一種振動(dòng)發(fā)電裝置。論文闡述了磁致伸縮振動(dòng)發(fā)電裝置的實(shí)現(xiàn)原理，完成了發(fā)電裝置的原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要由圓柱棒狀的超磁致伸縮材料、永磁鐵、電工純鐵磁軛和線圈組成。同時(shí)，以研制的磁致伸縮發(fā)電樣機(jī)為對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，發(fā)電裝置產(chǎn)生的輸出電壓與靜態(tài)輸入力之間為近似的線性關(guān)系；當(dāng)輸入振動(dòng)為簡(jiǎn)諧力時(shí)，該樣機(jī)產(chǎn)生了與輸入力相同頻率的輸出電壓，且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)輸出電壓幅值與力幅值近似成正比。

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Implementation Method of Power Generation Device for Passive Tire Pressure Monitoring System

LIU Hui-fang1,HE Xiao-feng1,MA Hong-xu1,WANG Wen-guo2

(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China; 2.E&E Section,Brilliance Automotive Engineering Research Institute,Shenyang 110044,China)

Aiming at the power supply problem of commonly used direct tire pressure monitoring system in automobile industry,a power generation device which can generate electricity energy through collecting vibration was developed.Core element of the device was a giant magnetostrictive material rod and the implementation principle was based on the coupling effect of magnetostrictive effect and Faraday electromagnetic induction effect.Design principle of the passive tire pressure monitoring system was analyzed in detail.On this basis,structure of the giant magnetostrictive power generation device was designed and a prototype was developed.Working performance of the power generation prototype was studied through experiments applying static force and dynamic force.Results show that the output voltage is proportional to the input static force approximately.When it is under the action of a harmonic force,the device will output voltage with the same frequency as input force.Moreover,there is a nearly linear relationship between output voltage’s amplitude and input dynamic force’s amplitude.The research result provides a new effective method for realizing a passive automobile tire pressure monitoring system.

automobile;tire pressure;monitoring system;magnetostriction;vibration power generation;passive

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305277);中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M541248);遼寧省博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20131080);遼寧省教育廳面上項(xiàng)目(L2013061);教育部博士點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(20132102120007)

2014-05-28 收修改稿日期：2014-11-27

TH39

A

1002-1841(2015)04-0042-04

劉慧芳(1983—)，講師，工學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣δ懿牧蟼鞲衅髋c微執(zhí)行器、精密加工、精密測(cè)量及過程檢測(cè)等。E-mail：huifangl@163.com 何曉峰(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫軠y(cè)量及過程檢測(cè)等。E-mail：hxfcherish@outlook.com