汽车无源胎压监测系统发电装置的实现方法研究

刘慧芳，何晓峰，麻洪序，王文国

(1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870；2.华晨汽车工程研究院电子工程室，辽宁沈阳 110044)



汽车无源胎压监测系统发电装置的实现方法研究

刘慧芳1，何晓峰1，麻洪序1，王文国2

(1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870；2.华晨汽车工程研究院电子工程室，辽宁沈阳 110044)

针对目前汽车行业中常用的直接式轮胎压力监测系统供电问题，以超磁致伸缩材料作为核心元件，利用磁致伸缩逆效应与法拉第电磁效应的耦合效应，设计了一种可通过收集振动产生电能的发电装置。通过对无源胎压监测系统实现原理的分析，完成了磁致伸缩振动发电装置的结构设计及样机的研制。通过实验研究了样机在静态振动力和动态振动力作用下的工作特性，结果表明该装置产生的输出电压与静态输入力之间为近似的线性关系；在简谐振动力作用下，该样机产生的输出电压与输入力频率相同，且在实验范围内输出电压幅值与力幅值近似呈正比。研究成果为实现汽车轮胎压力监测系统的无源化提供了一种新方法。

汽车；轮胎压力；监测系统；磁致伸缩；振动发电；无源

0 引言

为了保证汽车保持标准的车胎气压行驶并及时发现车胎漏气问题，目前主要采用轮胎压力监测系统实时自动监测轮胎中的气压。对于轮胎压力检测模块中的压力传感器、射频发射等电子元件，多采用传统的纽扣电池进行供电。该供电方式存在着电池需要定时更换、电池容量易受气温影响、化学物质影响环境等弊端[1-2]。因此，研究一种可取代电池为胎压监测系统提供工作电能的能量源是提高汽车质量与性能亟需解决的课题之一。

因路面颠簸、发动机振动等因素，使得汽车在行驶过程中存在着丰富的振动能量。因此，可通过一定的方法对汽车中的振动能量进行收集，并将其转换为电能而为胎压检测模块供电。目前，研究相对较为广泛的汽车振动发电技术是基于压电材料的压电效应实现的，然而与此相关的理论和技术研究刚刚起步，并且多数仍处于研究和试制阶段。例如，美国D.Snyder提出通过将压电弹簧片用于汽车胎压传感器中而提出一种用于汽车胎压监测系统中的能量转换发生器，当车轮运动时，压电弹簧片产生弯曲进而产生电能[3]。Van den Ende等学者用压电陶瓷聚合物复合材料研制一种直接式压电应变能量收集器，该能量收集器可为汽车轮胎中的无线自主传感器供电[4]。Mak等研制一种用于胎压测量的压电能量收集器，通过将缓冲块集成于收集器中的方式实现对振动振幅限制[5]。Lee等研制一种安装在轮胎里的能量收集器，基于此能够形成一种自供电式无线传感器系统。当在500 kgf(1 kgf=9.8 N)载荷作用下、600 km/h的速度下，该压电能量收集器每转一圈可产生380.2 μJ的能量[6]。吉林大学也正在开展有关用于轮胎压力监测系统的压电材料发电装置的研究工作[7]。但是，压电材料自身具有的蠕变、对机械振动和环境振动感应的灵敏度低、易于老化、去极化及高脆性等缺陷，限制了压电振动发电技术在汽车领域中的进一步实际应用[8]。

超磁致伸缩材料是20世纪70年代出现的功能材料，磁致伸缩逆效应是该材料具有的重要物理效应之一，即受到力或振动作用时，超磁致伸缩材料将发生磁致伸缩逆效应，进而材料内部的磁化状态和磁通密度发生变化[9]。因此，以磁致伸缩逆效应为基础，利用超磁致伸缩材料吸收汽车中的振动能量并将振动能量转换为磁能；再利用法拉第电磁效应，通过超磁致伸缩材料周围的感应线圈将磁能转换为电能，最终实现通过吸收汽车中的振动而产生电能的发电过程。与压电材料、形状记忆合金等功能材料相比，超磁致伸缩材料具有能量密度高、磁机耦合效率高、寿命长等优点[10]，因此磁致伸缩振动发电过程将具有响应速度快、电能易于收集、输出电压高且易于调整，电荷不易丢失等无可比拟的优点。超磁致伸缩振动发电技术将是解决汽车轮胎压力监测系统供电问题的一种更为有效的途径。目前，国内外关于超磁致伸缩材料的研究主要集中在其在流体机械、线性驱动马达、声呐系统、航空航天及医学等领域的应用，尚未有关磁致伸缩材料振动发电的研究成果报道。

针对解决汽车轮胎压力监测系统供电问题的迫切需求，本文提出采用超磁致伸缩材料，利用磁致伸缩逆效应特性与法拉第电磁效应的耦合作用，研究了一种汽车无源轮胎压力监测系统的电能发生装置的实现机理与方法。

1 磁致伸缩轮胎压力监测系统的实现原理

1.1 轮胎压力监测系统工作原理

有源直接式汽车轮胎压力监测系统结构如图1所示，系统由4个轮胎检测发射模块和1个中央接收显示模块组成。中央接收显示模块安装在驾驶室内，主要用于对轮胎压力信号的接收、解调和处理，并且完成轮胎压力信号的显示和报警功能。其主要包括射频发射接收发射器(RF发射接收器)、微处理器单元(MCU)、液晶显示单元(LCD)和天线，其中，RF发射接收器、MCU和LCD等由汽车上的车载电源供电。检测发射模块通过气门嘴外置的方式分别安装在4个轮毂上，其由压力传感器、MCU、RF发射接收器和天线构成。

图1 有源直接式汽车胎压监测系统结构图

压力传感器实时检测轮胎内的气体压力，MCU对传感器数据进行处理，并通过高频无线RF发射接收器同中央接收显示模块中的RF发射接收器进行通信，将压力数据无线传输给中央接收显示模块中的MCU，MCU对信息分析处理后将轮胎压力情况予以显示、报警。

目前，对于直接式胎压监测系统，轮胎压力检测发射模块中的压力传感器、MCU及RF发射接收器通过纽扣电池提供工作电能。该供电方式限制了胎压监测系统的使用寿命及压力信号检测与发射的次数。为解决该问题，本文利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩逆效应特性，设计一种胎压监测系统的能量源装置，代替纽扣电池为检测发射模块供电。

1.2 磁致伸缩振动发电过程的实现原理

利用磁致伸缩材料将输入振动转换为电能输出的实现原理是以该材料的磁致伸缩逆效应特性为基础。磁致伸缩逆效应是指铁磁性材料受到机械力作用，材料产生应变和应力，同时内部的磁化状态也随之改变，导致磁导率发生变化的现象[11]。超磁致伸缩材料发生磁致伸缩逆效应的过程如图2所示。磁致伸缩材料发生磁致伸缩逆效应时，材料内部磁畴发生移动和偏转。对于正磁致伸缩材料，拉应力的作用使磁化方向转向作用力的方向，材料在拉应力方向的磁导率增大；压应力使磁化方向转向垂直于作用力的方向，材料在压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料，磁导率的变化情况恰好相反。目前，常用的棒状磁致伸缩材料多为正磁致伸缩材料，材料受到外界力或振动作用后，其磁导率的变化将引起材料内部磁通密度发生变化，若材料周围存在线圈，线圈内部将发生法拉第电磁感应现象，变化的磁通密度使线圈内部产生感应电压。此时，通过能量收集电路或元件，对感应电压进行存储。存储后的能量，经过后续电路调理后，可转换为电子元件工作所需的任意形式电压。

(a)自由状态F=0(b)正磁致伸缩材料(c)正磁致伸缩材料

(d)负磁致伸缩材料 (e)负磁致伸缩材料图2 磁致伸缩逆效应原理图

汽车行驶过程中，由于路面的凸凹不平及发动机运转等原因使车轮中存在着丰富的动能。因此，利用磁致伸缩逆效应与法拉第电磁感应的耦合特性，通过超磁致伸缩材料收集汽车中的振动机械能并将其转化为电能，便可实现磁致伸缩振动发电过程；当轮胎压力监测系统中的检测发射模块工作时，放电控制系统控制储能元件放电，经过信号调理电路将电能转换为电子元件所需要的工作电压，进而取代电池实现为压力传感器及射频发射模块的供电过程。

2 磁致伸缩振动发电装置结构设计

本文所设计的汽车无源轮胎压力监测系统的电能发生装置的结构原理图如图3所示，该发电装置中的振动能量收集元件选用圆柱棒状的超磁致伸缩材料，其他关键元件主要有钕铁硼永磁铁、电工纯铁磁轭、感应线圈。汽车行驶过程中轮胎中的振动力作用在超磁致伸缩材料上，材料发生磁致伸缩逆效应并且内部磁通密度发生变化。磁致伸缩效应与法拉第电磁效应在感应线圈中发生耦合作用，变化的磁通密度引起线圈两端产生感应电压。最终，通过超磁致伸缩材料实现了轮胎中的振动机械能向感应线圈中电能的转换过程，即将振动输入转化成了电能输出。

图3 磁致伸缩发电装置原理结构

在对超磁致伸缩材料工作特性的研究过程中发现，材料的初始磁化状态对磁致伸缩逆效应特性具有较大影响。因此，为了使超磁致伸缩材料在工作过程中产生更强的磁致伸缩逆效应作用，即对外界振动具有更强的敏感性，本文在设计磁致伸缩振动发电装置过程中，采用钕铁硼永磁铁为超磁致伸缩材料提供预磁化磁场，对材料内部的磁畴进行初始磁化。同时，利用2片电工纯铁磁轭对磁力线的通过路径进行引导，保证在超磁致伸缩材料中穿过更多的磁力线，并且磁轭与永磁铁和超磁致伸缩材料构成一个封闭的磁回路，降低了磁泄漏，使得磁致伸缩逆效应与法拉第电磁效应发生较强的耦合。

3 实验

根据图3对磁致伸缩振动发电装置的设计，研制了磁致伸缩振动发电装置样机，并对样机在静态力和简谐力作用下的工作特性进行了实验研究。实验过程中，分别采用压力机和激振器为样机施加静态力和简谐正弦力，压电力传感器测量作用在磁致伸缩发电装置上的实际静态力和简谐力，示波器监测作用在振动发电装置上的输入振动力及其输出电压。

通过压力机以25 N的间隔向磁致伸缩伸缩发电装置施加0～600 N的静态力，测得的输出电压结果如图4(a)所示。随着输入力的增大，磁致伸缩发电装置产生的电压逐渐增加。除了当振动作用力较小时以外，输出电压与作用力之间为近似的线性关系。

通过激振器分别向磁致伸缩发电装置施加频率为200 Hz的振动简谐力，振动幅值分别为30 N、60 N和90 N，测得的输出电压结果如4(b)所示。磁致伸缩发电装置输出的电压以简谐规律变化，频率与输入力的频率相同。在幅值为30 N、60 N和90 N简谐力作用下，输出电压幅值分别约为1.8 V、3.7 V和5.4 V。并且，随着振动力振幅的增大，发电装置输出电压的幅值也增加，且输出电压的幅值与输入力的幅值近似呈正比。

(a)静态力

(b)简谐力图4 输出电压与振动力的关系

4 结束语

针对解决直接式轮胎压力监测系统中电池供电存的弊端，本文基于磁致伸缩逆效应和法拉第电磁效应的耦合效应，利用超磁致伸缩材料通过收集汽车运动过程中的振动能量，研究了一种振动发电装置。论文阐述了磁致伸缩振动发电装置的实现原理，完成了发电装置的原理结构设计，其主要由圆柱棒状的超磁致伸缩材料、永磁铁、电工纯铁磁轭和线圈组成。同时，以研制的磁致伸缩发电样机为对象，对其进行了实验研究。结果表明，发电装置产生的输出电压与静态输入力之间为近似的线性关系；当输入振动为简谐力时，该样机产生了与输入力相同频率的输出电压，且在实验范围内输出电压幅值与力幅值近似成正比。

[1] 何仁，胡青训，薛翔.汽车轮胎气压监测系统发展综述.中国安全科学学报，2005，15(10)：105-109.

[2] 张春元.实时低功耗无线传感器网络设计.仪表技术与传感器，2013(1)：89-92.

[3] 刘奇元，罗佑新，车晓毅.基于压电陶瓷的TPMS无源化研究.武汉理工大学学报，2010，32(24)：106-107.

[4] VAN DEN ENDE D A,VAN DE WIEL H J,GROEN W A，et al.Direct strain energy harvesting in automobile tires using piezoelectric PZT-polymer composites.Smart Materials and Structures,2012,21(1).

[5] MAK K H,MCWILLIAM S,POPOV A A.Piezoelectric energy harvesting for tyre pressure measurement applications.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2013,227(6)：842-852.

[6] LEE J,CHOI B.Development of a piezoelectric energy harvesting system for implementing wireless sensors on the tires.Energy Conversion and Management,2014,78.32-38.

[7] 菅新乐.基于压电陶瓷的汽车轮胎压力监测系统无源化研究 :[学位论文].吉林:吉林大学,2007.

[8] WANG Y J,HASANYAN D,LI J F,et al.Shear-mode magnetostrictive/piezoelectric composite with an enhanced magnetoelectric coefficient .Applied Physics Letters,2012,100 (20):202903-202905.

[9] 葛春亚，贾振元，王福吉，等.超磁致伸缩力传感器及其实验研究.仪表技术与传感器,2011(6)：3-5.

[10] BRAGHIN F,CINQUEMANI S,RESTA F.A low frequency magnetostrictive inertial actuator for vibration control.Sensors and Actuators:A Physical,2012,180：67-74.

[11] LIU H F,ZHANG Y,WANG W G,et al.Control model of giant magnetostrictive precise displacement actuator based on dynamic variable step size method.International Journal of Industrial and Systems Engineering,2014,17(2)：240-258.

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

国家自然科学基金项目(51305277);中国博士后科学基金项目(2013M541248);辽宁省博士启动基金项目(20131080);辽宁省教育厅面上项目(L2013061);教育部博士点科研基金项目(20132102120007)

2014-05-28 收修改稿日期：2014-11-27

TH39

A

1002-1841(2015)04-0042-04

刘慧芳(1983—)，讲师，工学博士，硕士研究生导师，主要研究方向为功能材料传感器与微执行器、精密加工、精密测量及过程检测等。E-mail：huifangl@163.com 何晓峰(1989—)，硕士研究生，主要研究方向为精密测量及过程检测等。E-mail：hxfcherish@outlook.com