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，經過整流濾波穩(wěn)壓實現(xiàn)超級電容存儲的自供電技術，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化成電能，將輸出的交流電經過整流濾波穩(wěn)壓轉化成直流電存儲在超級電容里，從而實現(xiàn)對智能傳感器的自供電，該技術延長直接式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。

【關鍵詞】直接式TPMS智能傳感器；壓電振子；超級電容；自供電技術

0 引言

TPMS是汽車輪胎壓力實時監(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行報警，提高駕駛安全性，TPMS 智能傳感器體積小，功能強大，通常攜帶一體化能量有限的電池，工作周期短，通過更換電池實現(xiàn)TPMS智能傳感器持續(xù)工作是不現(xiàn)實的。因此，本文提出一種利用壓電振子進行能量收集，經過整流濾波穩(wěn)壓電路實現(xiàn)超級電容能量存儲的自供電技術，從振動能量收集，整流濾波，穩(wěn)壓電路，能量存儲4個方面詳細論述。

1 設計原理

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行供電，實現(xiàn)能量自給自足。直接式TPMS智能傳感器自供電技術結構框圖如圖1所示。

2 電路設計

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，利用壓電材料的正壓電效應實現(xiàn)。由于汽車輪胎的振動，使附著在輪胎內壁的壓電振子受到機械應力，會在壓電材料表面出現(xiàn)與應力成比例的電荷，形成交流電輸出，從而將振動能量直接轉化成電能。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、結構簡單，可附著于汽車輪胎內臂等性能特點，能夠高效實現(xiàn)振動能向電能的能量轉化。

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，因此需要相應電路進行整流濾波使輸出信號量為直流電。采用橋式整流LC-π型濾波電路實現(xiàn)該功能，采用4個MOSFET體二級管構成單相橋式整流電路，實現(xiàn)整流，當U1工作在正半周時，體二極管D1，D3導通，在負載上得到正弦波正半周，當U1工作在負半周時，D2，D4導通，在負載上得到正弦波負半周，通過正半周和負半周合成得到單向脈動電壓。在整流電路工作時，二極管導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構輸出功率仍較大，而MOSFET體二級管具有壓降可忽略，功耗低的特點，可代替鍺二級管工作實現(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生不利的影響，利用三端集成穩(wěn)壓器7810進行穩(wěn)壓，輸出電壓一般可連續(xù)調節(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 結語

本文論述了基于壓電振子能量收集，經過整流濾波穩(wěn)壓電路，實現(xiàn)超級電容能量存儲的自供電技術，實現(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，具有很大的應用前景。

【參考文獻】

[1]朱俊杰，李美成.無線傳感器微能源自供電技術研究[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構設計及實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2011.

[3]周洋，萬建國，陶寶祺.PVDF壓電薄膜材料的結構、機理及應用[J].材料導報，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.

[責任編輯：田吉捷]endprint