一种摩擦纳米发电机和电池混合供电的无线胎压监测系统

技术领域

本发明属于汽车智能监测技术领域，涉及一种摩擦纳米发电机和电池混合供电的无线胎压监测系统。

背景技术

汽车的胎压有重要作用，汽车胎压监测系统是一种通过在轮胎中安装电子传感器，对轮胎各种状况进行实时监测，从而为驾驶员提供的一种安全保障技术。通过监测胎压可以在轮胎出现危险征兆的时候及时报警，提醒驾驶员采取相应的措施。胎压不足的时候会导致轮胎寿命减少，因此保证胎压在正常范围可以有效地延长轮胎寿命。胎压过低的时候，会增大油耗，因此监控胎压有助于降低油耗。轮胎气压不足的时候，会导致轮胎减震效果减弱，从而增加车辆减震系统的负担，长期使用对发动机底盘及悬架系统都将造成很大的伤害；如果轮胎气压不均匀，还容易造成制动跑偏，从而增加悬架系统的磨损。

根据型号配置不同，一部分汽车在出厂前即安装了胎压监系统，直接集成在行车电脑里，显示在中控台仪表盘中间。但是也有相当一部分汽车并没有安装胎压监测装置，后期如果想安装胎压监测装置，只能采取在轮胎合适的部位安装无线胎压传感器，通过无线发送数据到放置在驾驶室内的接收显示装置。

常见的胎压传感器分为两种：内置式和外置式。外置式胎压监测传感器安装在轮胎的打气芯处。无需拆卸轮胎，方便快捷。但是监测的准确度相比于内置式较差，并且容易被盗取。而内置式胎压传感器完全隐藏在车胎内，准确度更高，无需担心被盗窃，但安装时需要拆卸轮胎，扒胎，并在安装完胎压传感器后进行动平衡测试。内置式和外置式胎压传感器都采用电池供电，无线通讯方式。因为采用电池供电方式，就会面临着更换电池的问题。对于外置式胎压检测系统，更换电池方便快捷。而对于内置式胎压传感检测系统，更换电池需要卸掉轮胎，重新做动平衡，费时费力。

发明内容

本发明针对现有无线胎压监测装置存在的供电问题，提供了一种摩擦纳米发电机和电池混合供电的无线胎压监测系统。该系统在已有商业化胎压监测装置的基础上进行较小的改动，稳定性实用性更好，可以有效地延长内置型胎压传感器的使用时间。

本发明采用的技术方案如下：

一种摩擦纳米发电机和电池混合供电的无线胎压监测系统，包括摩擦纳米发电机、压力温度检测模块、传感器MCU以及RF射频模块、电池、开关控制电路、稳压电路。摩擦纳米发电机通过整流器后并联在超级电容和稳压电路两端；稳压电路和电池通过开关电路给串联的压力温度检测模块、传感器MCU以及RF射频模块供电。

采用硅胶等柔性材料的摩擦纳米发电机。硅胶内部有一空穴，空穴内上部和下部是fpc电极板，以铜作为电极。空穴中间有一些PTFE小球，小球的直径要小于空穴高度，从而当贴在轮毂上的柔性摩擦纳米发电机随着车轮旋转的时候，产生沿着电极的滚动和对上下电极的撞击，从而产生交流电。交流电经过桥式整流器后，给电池充电。

本发明的有益效果：本发明的柔性摩擦纳米发电机作为补充电源使用，结构更加的小巧简便，无需对轮胎进行较大的改动。结构实用，市场前景好。

附图说明

图1是外置式胎压监测传感器。

图2本发明的安装示意图。

图3硅胶等柔性材料的摩擦纳米发电机结构示意图。

图4是柔性电极板的示意图。

图5是本设计的稳压电路结构图。

图6是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

图1中是目前商用化的内置式电池供电型无线胎压监测装置。内置式胎压装置需要将轮胎拆卸后进行扒胎，在气门芯处换上内置型胎压传感器，胎压传感器及无线传输模块处于轮毂内侧。

图2所示的是摩擦纳米发电机与电池联合供电的胎压监测装置示意图，柔性摩擦纳米发电机与黑色模块相连，贴在轮毂侧面。

图5中所示的控制电路会对电池能量进行检测。当电池能量充足的时候，摩擦纳米发电机工作但不对电池进行供电。当电池能量不足的时候，摩擦纳米发电机工作会对电池进行充电。

电池是CR2025或者CR2032，可充电式电池。例如ML2430型可充电电池，ML2430电池的额定电压为3.0V，充满电后电压可达3.3V,放电终止电压为2.2.V，电池容量可达100mAh。

传感器MCU/Sensor是系统的核心，多家芯片公司都推出了低能耗的TPMS芯片。可以选择INFINEON公司的SP300V2.1-E106-0芯片来实现。P300V2.1-E106-0整合了硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器与加速度传感器和一个电池电压监测器。也可以采用MPXY8020A作为采集轮胎温度压力信号的传感器。压力测量范围0～3.5Bar；温度测量范围-40～+125℃；向心加速度测量范围-12g～115g；工作电压范围1.8～3.6V。

RF射频芯片主要用于将数字信号转换为高频信号。可以系统采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作电压为+2.1～+6.0V，8mA的低工作电流。如果DATA引脚在一个确定的时间(等待时间)内没有动作，器件自动进入低功耗模式。

在每个车轮内部安装一个汽车胎压监测传感器，它能够准确测量轮胎内部的压力和温度，传感器通过无线形式按照一定的规律向放置在驾驶舱内的液晶显示器发送数据。将信息帧发送给仪表盘，驾驶员通过仪表盘显示屏获得每一个轮胎的压力值、温度值。当某一个轮胎的压力值或温度值变化超过了报警值，液晶显示设备可以准确显示报警轮胎置出图形、声音、文字报警。

在汽车不启动时，系统处于待机状态，所需的电流可以小于1uA。当汽车工作时，唤醒胎压监测系统，由电池为压力测量模块、MCU以及RF射频模块供电。RF射频模块是目前胎压传感器耗能的主要器件，峰值消耗电流可以达到10mA。采用间歇式发送数据的方式，整体监控系统的平均电流消耗可以在5uA左右。

摩擦纳米发电机和电池混合供电的胎压监测系统的工作基本流程如下：

摩擦纳米发电机工作产生的电能经过整流器后由一个电容存储。在汽车开始运转的时候，由于电容存储的能量较低。胎压监测系统由电池供电。当开关控制电路监测到电容的电压达到设定值时，断开电池，由电容为胎压监测系统供电。超级电容的充放电特性与常用蓄电池充放电特性不同。在放电过程中，电池可以输出稳定的电压，由于超级电容两端电压同时间呈指数规律变化，所以超级电容两端的输出的电压是不稳定的，并且当存储的电能容量减少时，超级电容两端电压会呈现下降的趋势。因此，为使负载能够得到稳定的输出电压及提高储能利用率，超级电容电压输出通常需要通过DC/DC转换电路才能变成恒压输出。该部分的设计中，在超级电容输出端连接稳压芯片，使得电容放电可以稳定3V。当电容中的电能下降到不足以输出3V的供电电压时，开关控制模块的再转换到由电池供电的模式。

稳压电路的芯片可以选择升压式和降压式，如果摩擦纳米发电机产生的电能比较小，宜选用升压式稳压芯片。即电容两端电压不需要太高，即可介入胎压监测系统供电。超级电容容量选择不宜过大，因为需要考虑到充电时间(充电时间过长会使汽车短途行驶时电容无法充满电)以及漏电等问题。设计的摩擦纳米发电机期待能够用10分钟充满电，然后供电5分钟，在切换到电池供电。具体摩擦纳米发电机和电池供电时间可以通过调整摩擦纳米发电机大小以及电容大小进行调整。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。