直接式TPMS智能傳感器自供電技術(shù)

豆亞萍

【摘 要】針對直接式TPMS智能傳感器電池能耗高，使用周期短，不易更換等問題，提出一種基于壓電振子能量收集，經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)超級電容存儲的自供電技術(shù)，利用多片壓電薄膜材料制成的壓電振子將汽車輪胎振動能直接轉(zhuǎn)化成電能，將輸出的交流電經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓轉(zhuǎn)化成直流電存儲在超級電容里，從而實(shí)現(xiàn)對智能傳感器的自供電，該技術(shù)延長直接式TPMS智能傳感器工作周期，保證TPMS系統(tǒng)持續(xù)工作，提高行車安全性。

【關(guān)鍵詞】直接式TPMS智能傳感器；壓電振子；超級電容；自供電技術(shù)

0 引言

TPMS是汽車輪胎壓力實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，自動監(jiān)測汽車輪胎氣壓，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報警，提高駕駛安全性，TPMS 智能傳感器體積小，功能強(qiáng)大，通常攜帶一體化能量有限的電池，工作周期短，通過更換電池實(shí)現(xiàn)TPMS智能傳感器持續(xù)工作是不現(xiàn)實(shí)的。因此，本文提出一種利用壓電振子進(jìn)行能量收集，經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)超級電容能量存儲的自供電技術(shù)，從振動能量收集，整流濾波，穩(wěn)壓電路，能量存儲4個方面詳細(xì)論述。

1 設(shè)計原理

利用由壓電薄膜材料制成的懸臂梁型壓電振子，將汽車輪胎振動能直接轉(zhuǎn)化成電能，輸出信號為交流電流，利用整流濾波穩(wěn)壓電路將輸出的交流電變成直流電存儲在超級電容里，超級電容對智能傳感器進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)能量自給自足。直接式TPMS智能傳感器自供電技術(shù)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計

2.1 振動能量收集模塊

振動能量收集模塊工作原理基于壓電式能量收集技術(shù)，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。由于汽車輪胎的振動，使附著在輪胎內(nèi)壁的壓電振子受到機(jī)械應(yīng)力，會在壓電材料表面出現(xiàn)與應(yīng)力成比例的電荷，形成交流電輸出，從而將振動能量直接轉(zhuǎn)化成電能。由于單片壓電振子輸出的電信號較小，可采用多片壓電振子串聯(lián)，增大輸出信號量。采用PVDF壓電薄膜材料制成的壓電振子，具有重量輕，體積小、壓電常數(shù)高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單，可附著于汽車輪胎內(nèi)臂等性能特點(diǎn)，能夠高效實(shí)現(xiàn)振動能向電能的能量轉(zhuǎn)化。

2.2 整流濾波模塊

由于壓電式能量收集輸出信號量為交流電，不能直接對TPMS智能傳感器供電，因此需要相應(yīng)電路進(jìn)行整流濾波使輸出信號量為直流電。采用橋式整流LC-π型濾波電路實(shí)現(xiàn)該功能，采用4個MOSFET體二級管構(gòu)成單相橋式整流電路，實(shí)現(xiàn)整流，當(dāng)U1工作在正半周時，體二極管D1，D3導(dǎo)通，在負(fù)載上得到正弦波正半周，當(dāng)U1工作在負(fù)半周時，D2，D4導(dǎo)通，在負(fù)載上得到正弦波負(fù)半周，通過正半周和負(fù)半周合成得到單向脈動電壓。在整流電路工作時，二極管導(dǎo)通都要克服直流壓降，會引起功耗的損失，由于鍺二極管正向壓降較低，為0.3V，但相對壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)輸出功率仍較大，而MOSFET體二級管具有壓降可忽略，功耗低的特點(diǎn)，可代替鍺二級管工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能優(yōu)化，提高系統(tǒng)工作效率，降低系統(tǒng)工作功耗。

經(jīng)過整流得到的單向脈動電壓雖然沒有交流成分變化，但其脈動較大，需要經(jīng)過LC-π濾波電路，利用電容電壓沖放電作用使輸出電壓趨于平滑，消除脈動，提高輸出電壓。橋式整流LC-π濾波電路如圖2所示。

2.3 穩(wěn)壓電路模塊

由于環(huán)境溫度變化，或者由于智能傳感器電流的變化和輸入電壓的變化，對能量采集、能量存儲以及傳感器正常工作產(chǎn)生不利的影響，利用三端集成穩(wěn)壓器7810進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能好，效率高。

2.4 能量存儲模塊

采用超級電容進(jìn)行能量存儲，超級電容是一種無源器件，不但具有電池的儲能特性，并且可以重復(fù)使用，功率密度高，壽命長，使用溫度范圍寬，介于電池和普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電等優(yōu)異特性。超級電容放電時利用移動導(dǎo)體間的電子釋放電流，從而為直接式TPMS智能傳感器提供電源。

3 結(jié)語

本文論述了基于壓電振子能量收集，經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)超級電容能量存儲的自供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了直接式TPMS智能傳感器的自供電，解決了傳統(tǒng)TPMS智能傳感器工作周期短，電池更換不方便等問題，有利于提高TPMS系統(tǒng)工作效率，保障行車安全，具有很大的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱俊杰，李美成.無線傳感器微能源自供電技術(shù)研究[A].可再生能源，2012，30（11）：55-60.

[2]謝真真.壓電式懸臂梁振動能量收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[3]周洋，萬建國，陶寶祺.PVDF壓電薄膜材料的結(jié)構(gòu)、機(jī)理及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，1996（5）：43-47.

[4]劉祥建，陳仁文.壓電振動能量收集裝置研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[A].振動與沖擊，2012，31（16）：169-176.

[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint