王文國，韓璐，張毅

(華晨汽車工程研究院,遼寧沈陽 110141)

胎壓無源監(jiān)測系統(tǒng)的電能發(fā)生裝置研究

王文國，韓璐，張毅

(華晨汽車工程研究院,遼寧沈陽 110141)

針對目前汽車行業(yè)中常用的直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題，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)測系統(tǒng)的檢測發(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)測系統(tǒng)的供電問題提供一種有效方法，對實現(xiàn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的無源化具有一定的推動作用，為超磁致伸縮材料的應(yīng)用提供一種新途徑。

輪胎壓力；無源監(jiān)測系統(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，高速公路上由爆胎問題導(dǎo)致的交通事故占約占所有事故的70%～80%。美國汽車工程師學(xué)會的最近調(diào)查資料表明，美國每年約有26萬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題的產(chǎn)生已成為保障安全駕駛的一個重要課題，其中保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時發(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)測系統(tǒng)。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓進(jìn)行實時自動監(jiān)測的一種裝置，當(dāng)輪胎氣壓高于或低于設(shè)定的壓力閾值時，監(jiān)測系統(tǒng)自動發(fā)出預(yù)警信號。

目前，應(yīng)用較為廣泛的胎壓監(jiān)測方式是直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(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量輪胎的氣壓，并對氣壓值予以顯示與監(jiān)測，且當(dāng)輪胎氣壓過高時或過低時，系統(tǒng)將自動報警[2-4]。直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的輪胎壓力檢測模塊安裝在輪胎上,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)會影響環(huán)境等弊端[5]。因此，如何實現(xiàn)輪胎檢測模塊的低功耗、延長電池使用壽命是當(dāng)前研究的一個熱點。目前主要通過選用低功耗的芯片、大容量的電池、喚醒技術(shù)以及一些智能低功耗算法實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗,除此之外,人們正在努力研究無源的汽車輪胎壓力監(jiān)測技術(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現(xiàn)機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)時其磁化狀態(tài)產(chǎn)生變化，是機械能向電磁能轉(zhuǎn)換的過程[7-10]。因此，針對解決汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)供電問題的迫切需求，結(jié)合我國汽車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與特點，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)測系統(tǒng)中的電能發(fā)生裝置，實現(xiàn)對傳感器與發(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)測系統(tǒng)的供電問題提供一種有效方法，對壓力監(jiān)測系統(tǒng)的無源化具有一定的推動作用。

1 無源汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的原理

1.1 汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

有源直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由4個輪胎檢測發(fā)射模塊和1個中央接收顯示模塊組成。4個輪胎檢測發(fā)射模塊分別安裝在汽車的4個輪胎上，安裝方式采用氣門嘴外置式。輪胎檢測發(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。通過壓力傳感器實時檢測輪胎內(nèi)的壓力，MCU對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過高頻無線發(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，完成壓力信號的接收、解調(diào)、處理、顯示和報警。系統(tǒng)實時監(jiān)測輪胎內(nèi)氣壓，當(dāng)輪胎狀態(tài)異常時，立即發(fā)送輪胎狀態(tài)信息，中央接收顯示模塊對報警信息進(jìn)行接收確認(rèn)，隨后向駕駛員發(fā)出聲光警報并提示輪胎出現(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更換、容量易受氣溫影響、電池中化學(xué)物質(zhì)會影響環(huán)境等問題。為解決該問題，文中利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應(yīng)特性，設(shè)計一種胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的能量源裝置，代替紐扣電池為胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的檢測發(fā)射模塊供電。

1.2 超磁致伸縮材料發(fā)電的實現(xiàn)原理

作為發(fā)電裝置的核心元件，磁致伸縮材料將機械能轉(zhuǎn)化為電能，其實現(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械力作用，材料產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，同時內(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)的過程如圖2所示。

磁致伸縮材料發(fā)生磁致伸縮逆效應(yīng)時，材料內(nèi)部磁疇發(fā)生移動和偏轉(zhuǎn)。對于正磁致伸縮材料，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。對于負(fù)磁致伸縮材料，情況正好相反。因此，對于當(dāng)前常用的棒狀磁致伸縮材料，僅受壓應(yīng)力作用時，其磁化強度方向趨于與壓應(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，通過能量收集電路或元件，對感應(yīng)電壓進(jìn)行存儲。存儲后的能量，經(jīng)過后續(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，車輪在地面上不斷地滾動，存在著豐富的動能；同時，由于路面的凸凹不平和發(fā)動機的運轉(zhuǎn)等原因，會引起汽車的振動。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，將這些機械能轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)行存儲。當(dāng)汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的檢測發(fā)射模塊工作時，儲能元件開始放電，經(jīng)過信號調(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，從而實現(xiàn)了對電池的取代過程。

2 發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

文中以超磁致伸縮材料為關(guān)鍵元件設(shè)計的汽車胎壓監(jiān)測系統(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。汽車行駛過程中產(chǎn)生的振動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。實現(xiàn)了機械能向電能的轉(zhuǎn)換，將外界振動輸入轉(zhuǎn)化成了電能輸出。

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

3 實驗

根據(jù)圖3的設(shè)計，研制了磁致伸縮發(fā)電裝置樣機，并對其在靜態(tài)力和簡諧力作用下的輸出電壓特性進(jìn)行了實驗研究。實驗過程中，分別采用壓力機和激振器為樣機施加靜態(tài)力和簡諧正弦力，壓電力傳感器測量作用在磁致伸縮振子上的靜態(tài)力和簡諧力，示波器監(jiān)測顯示裝置產(chǎn)生的輸出電壓。

通過壓力機以25 N遞增變化向磁致伸縮伸縮振子施加0～600 N力，測得的輸出電壓結(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振子施加振動頻率為160 Hz的簡諧力，振動幅值分別為30、60和90 N，測得的輸出電壓結(jié)果見圖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?，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)會對環(huán)境造成污染等問題，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，實現(xiàn)了汽車振動等機械能向電能的轉(zhuǎn)化。并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，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，以研制的電能發(fā)生裝置為對象，進(jìn)行了實驗研究。實驗結(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)作用力為簡諧力時，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(1981—)，男，本科，助理工程師，研究方向為汽車電器。E-mail：wenguo.wang@brilliance-auto.com。