CN1799894A - 从转动轮胎中的机械能中产生电力的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有集成发电技术特征的轮胎组件，包括一个或多个压电装置，其被配置成当所述轮胎结构受到与轮胎或车轮组件挠曲变形有关的机械应变作用时在该压电装置内产生电荷。该压电装置可以结合在多种轮胎结构中以及多个不同的位置上。在充气轮胎结构中，该压电装置以及相关的电子元件可以嵌入到例如外胎面部分、带束包的第一和第二钢带上、胎体、冠带层部分、内衬、底部区域等选定组件的胎冠或侧壁中。该压电装置具有可选的橡胶外壳，也可以连接到例如内衬或者轮胎外部的位置上。压电装置也可以与轮胎及安全支撑件组合体结合使用，这种组合体被配置成当轮胎结构损失了气压时以扩展机动性模式运行。压电装置也可以可选地与一非充气结构支撑轮胎结合使用，这种轮胎例如包括一个增强环形带、多个横向延伸越过该环形带并从该环形带径向地向内延伸的辐板、一个位于辐板径向内侧端上的安装带以及一个置于该环形带上的胎面部分。

Description

从转动轮胎中的机械能中产生电力的系统及方法
相关申请
本申请作为2002年5月10日提交的、美国专利号为No.6,807,853的、发明人为John D.Adamson和George P.O'Brien的、题目为“利用压电纤维合成物从转动轮胎机械能中产生电力的系统及方法”、被转让的在先申请的部分继续申请，要求其优先权，并且在此结合其全部内容作为参考。本申请还作为2004年5月21日提交的、序列号为USSN10/850,860的、发明人为John D.Adamson和George P.O’Brien的、题目为“从转动轮胎的机械能中产生电力的系统及方法”、被转让的在先申请的部分继续申请，要求其优先权，并且在此结合其全部内容作为参考。
技术领域
本申请一般涉及一种使压电结构受到轮胎转动机械能的作用，从而产生电力并提供给轮胎集成电子元件的系统和方法。利用压电技术来将与轮胎或车轮组件的挠曲变形相关的机械应变转化成电荷，然后将这些电荷进行调节处理并储存在储能装置中。累积了足够的这种电能就可以为电子系统供电，这些电子系统包括识别各种轮胎物理参数的电子组件以及射频(RF)发射装置。
背景技术
轮胎结构与电子装置的结合产生了很多实用的优点。轮胎电子元件可以包括传感器和其它组件，以获得关于轮胎各种物理参数的信息，例如温度、压力、转数和车速等等。这些性能信息对于轮胎监测和报警系统非常有用，甚至还可能用在调节轮胎适当压力水平的反馈系统中。
美国专利No.5,749,984( Frey等)公开了一种轮胎监测系统和方法，其可以判断一些轮胎信息，例如轮胎偏转(deflection)、轮胎速度以及轮胎转数。另一轮胎电子系统的例子可参见美国专利No.4,510,484( Snyder)，是关于一个轮胎异常状况的报警系统。美国专利No.4,862,486( Wing等)也是关于轮胎电子元件的，更具体地公开了一种典型的用在汽车及卡车轮胎上的转数计数器。
然而轮胎结构所结合的电子系统提供的另一能力涉及商务车辆应用的资产跟踪及工作特性。商务卡车车队、航空器以及重型推土机/矿车都是可以利用轮胎电子系统及相关信息传递的行业应用。轮胎传感器可确定车辆各轮胎的行驶距离，从而可帮助这些商业系统确定维修计划。对于一些更昂贵的应用(例如重型采矿设备)来说，其可以优化车辆位置及性能。利用RF标签发射装置可以跟踪整个车队，例如美国专利No.5,457,447( Ghaem等)公开了它的典型方面。
这种集成的轮胎电子系统通常由多种技术以及不同的发电系统来供电。美国专利No.4,061,200( Thompson)和No.3,760,351( Thomas)披露了从轮胎的运动中产生能量的机械特征的实例。这些例子提供了较笨重的复杂系统，其一般不适于结合现代轮胎应用。
一些轮胎电子系统由各种压电装置进行供电。美国专利No.6,438,193( Ko等)公开了一种自供电的轮胎转数计数器，其包括一个安装在轮胎内的压电元件，从而使该压电元件可以在轮胎转动时的周期性机械应力作用下提供对应的周期脉冲。另外一种为轮胎电子系统供电的压电装置的例子公开于美国专利No.4,510,484( Snyder)中，其是关于一个围绕轮胎辐射中心线对称布置的压电簧片供电装置。
另一种为轮胎电子系统供电的典型解决方案是利用不可充电电池，这种电池本身不便于轮胎使用者使用，因为电子系统的正常操作依赖于定期的电池更换。传统的电池也通常含有不环保的重金属，从而还会涉及处理问题，特别是在大量应用的时候。此外，当所供电的电子应用功能较复杂时，电池电能的消耗会非常快。特别是在向相对较远距离(比如从卡车车轮向卡车驾驶室)发送信息的电子系统中，电池电能耗尽的情况特别普遍。即便电池是用在从车轮位置向较近的接收装置位置发送信息的电子系统中，信息一般是通过硬线传输介质从RF接收装置位置传输到车辆驾驶室，然而这也需要在车辆上安装额外的且通常较昂贵的传输硬件。
另外一种已知的为轮胎监测系统获取电能的方法是从靠近轮胎和集成电子部件的询问天线(interrogation antenna)中提取RF电波能量。提取天线辐射的能量来为电子元件供电，必须专门应用在限制为几个微瓦的超低电能的电子元件中。与电波供电的电子元件一同使用的询问天线由于传输范围的限制所以一般安放在相对非常靠近各车轮的位置上(在两英尺以内)。一般每辆车需要多个询问天线，从而增加了可能的设备成本。各天线也非常容易由于路面条件恶劣而损坏，因而基于多种原因这种方法不是为轮胎电子应用供电的最佳解决方案。
在此本申请结合所有前面提到过的美国专利的全部公开内容以作为参考。尽管已开发出了不同的轮胎电子系统和发电系统，但没有出现一种设计可以完全涵盖下文根据本发明技术主题所提出的所有必需特征。
发明内容
考虑到现有技术遇到的以及本发明主题所提出的上述问题，开发出了一种改进的为结合在轮胎结构内的电子系统供电的系统和方法。利用压电技术来将与轮胎弯曲变形有关的机械应变转化成电荷，然后对该电荷进行调节并储存在一个或多个储能装置中。当这种储存能量累积了足够多时就可以为电子系统供电，包括识别各种轮胎物理参数的组件以及射频(RF)发射装置。
根据所公开技术的更具体方面，本发明的一个目的旨在提供一种具有集成自供电电子组件的轮胎。这种电子组件通过集成的压电结构所收集的能量来自供电，并且这些电子组件可以是各种电子应用。一种典型的电子应用包括轮胎监测系统，它被设计成测量和发送有关轮胎状态的信息，例如压力和温度信息以及其它关于轮胎转数或基本轮胎识别变量等。
本发明的轮胎电子系统以及特定的发电装置的各种特征和方面具有许多优点。所披露的技术提供了一种自供电的电子系统，该系统不依赖于电池的更换。尽管还可以用电池或电池操作装置来结合本发明内容使用，但根据本公开技术可以降低关于只用电池供电的轮胎电子元件的复杂性。
本发明的另一优点是提供相对于传统轮胎监测系统来说具有更少的所需信号硬件数量的轮胎监测系统。通过提供一自供电的轮胎监测系统，不再需要提取天线或者具有附加硬线连接的多个接收位置。这种轮胎监测系统的组件可以结合在给定车辆的每个单独轮胎结构内，从而使一个单独的接收装置(一般位于驾驶室内)可以获取由各轮胎集成电子元件发出的信息。
本发明的另一个优点是对于能够用在轮胎及车轮组件结构内部的电子设备的种类和数量限制更少。通过传统方法而不是使用在此公开的压电技术供电的电子元件通常限制为超低功率装置。根据本公开技术的装置可以不受这种极限功率的限制。当要使用更多的组件和/或高电平设备时，这种优点可以进一步帮助轮胎电子元件发挥更大的功效。
本发明的另一优点是在此公开的发电以及利用该电能的系统和方法可以用在多种现有应用中。可以用在例如商务车队、飞机、采矿/重型推土机等行业应用中的测量能力、监测和警告系统、车辆反馈系统、以及资产跟踪能力。
在本发明的一个典型实施例中，一种具有发电技术特征的轮胎组件包括充气轮胎结构、压电装置和电子组件。该充气轮胎结构的特点在于胎冠具有一与路面接触的外胎面部分、胎边部分将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上、和侧壁部分在每个胎边部分和胎冠部分之间延伸。在该充气轮胎结构内的横跨所述侧壁部分的所述胎边与所述胎冠之间设有胎体，在所述充气轮胎结构的所述胎面部分和所述胎体之间设置带束包，并用一个内衬构成了所述充气轮胎结构的内表面。该压电装置被配置成当所述轮胎结构受到机械应变作用时该压电装置内可以产生电荷。该电子组件与所述发电装置相连(在某些实施例中通过能量储存装置)，从而所述电子组件的选定组件可以通过所述压电装置所产生的电荷供电。
压电装置可以集成在充气轮胎结构的各种不同位置上，包括但不限于：在胎面部分与带束包之间的胎冠内，在带束部分与胎体之间的胎冠内，在胎体与内衬之间的胎冠内，在胎体和轮胎外部之间的侧壁内，在胎体和内衬之间的侧壁内，以及在靠近轮胎结构的选定胎边部分的底部区域内。在一些实施例中，该充气轮胎结构还包括一个在带束包和胎面部分之间的冠带层。在这些实施例中，压电装置可以嵌入到胎面部分与冠带层之间的胎冠内，或者嵌入到带束包与冠带层之间的胎冠部分内。在其它实施例中，带束包包括至少第一和第二钢带，并且压电装置可以安装到各钢带之间。压电装置也可以连接到或者嵌入到一橡胶壳体中，该壳体为压电装置提供额外的支撑。该橡胶壳体和压电装置随后也可以安装到充气轮胎结构的内衬上或外胎面部分上。
在本发明技术的另一典型实施例中，具有集成发电特征的轮胎组件包括充气轮胎结构、安全支撑件、压电装置和电子组件。该充气轮胎结构的特点在于胎冠具有一与路面接触的外胎面部分。安全支撑件被设计成安装到所述充气轮胎结构内部的轮辋上，以在缺气情况下支撑胎面部分。该安全支撑件包括环形体，其内表面围绕轮辋装配，外盖部分在缺气情况下与胎面部分咬合。压电装置可以集成该安全支撑件的选定部分，并被设计成当充气轮胎结构处于缺气行驶状态时安全支撑件受到机械应变作用，从而在该压电装置内产生电荷。电子组件与所述压电装置相连，并且所述电子组件的选定组件通过所述压电装置所产生的电荷供电。在某些实施例中电荷也可以用来在充气轮胎结构处于缺气行驶状态时发出信号指示。
本发明技术的另一典型实施例是轮胎组件，其包括非充气结构支撑轮胎、压电装置和电子组件。该非充气结构支撑轮胎包括增强环形带、多个横向延伸并从该增强环形带径向向内延伸的辐板(web spoke)、以及位于该辐板径向内侧端上的安装带。胎面部分也可以置于该增强环形带的径向最外侧。该压电装置可以装在所述非充气结构支撑轮胎的典型位置上，例如增强环形带的内部或者一个或多个辐板上。当该非充气结构支撑轮胎受到机械应变时，该压电装置内可以产生电荷，从而为一个或多个电子组件的电子器件供电。
根据在此公开技术的更具体实施例，前述压电装置的某些实施例可以是具有多个嵌入到环氧树脂基体内的压电纤维的纤维复合结构。该压电装置可以备选地包括压电晶片，其大致被一个保护外壳环绕，并且具有嵌入的第一和第二电导线以连接该压电晶片(例如通过电极)。在另一实施例中，压电装置包括一层压电材料，其分别具有的传导层(例如，铝或者不锈钢层)，通过各自的聚酰亚胺粘结层(例如，高温热塑性聚酰亚胺)附着在其相对侧上。有些时候压电装置可以包括多个串联或并联的压电元件。该多个压电元件被设置成具有同相或者反相的极化方向，并具有d33或d31位移(displacement)模式之一。压电元件可以包括如下材料，例如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、石英、硫化镉、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)。
在下文的详细说明书中阐述了本发明的其它目的和优点，或者使其对本领域技术人员来说是显而易见的。同样，可以进一步理解对这里特别示出的、参考的以及讨论的特征和步骤所作出的改进和变型可以应用在本发明的各种实施例和用途中，而不偏离本发明的宗旨和范围。变型可以包括但不限制于那些图示出的、参考的或讨论的等效装置、特征或步骤，以及各种部件、特征、步骤等的功能性的、操作性的、或者位置上的颠倒。
另外，应当理解本发明的不同实施例以及所给出的不同的优选实施例包括在此公开的特征、步骤、或元件、或其等效物的各种结合或构型(包括未在附图中明确示出的或未在这些附图的详细说明中阐述过的上述特征、部件、或步骤、或结构的组合)。
不必在该发明概述部分阐述的本发明的附加实施例，可以包括并结合上述发明概述中的参考特征、组件、步骤和/或该申请讨论的其它特征、组件、或步骤等的各种组合。本领域技术人员在阅读该说明书余下部分的基础上可以更好地理解这些实施例的特征、内容以及其它。
附图说明
说明书中阐述了本发明所公开的全部且能实现的内容，包括指导本领域普通技术人员的最佳实施方式，这些内容可参考附图，附图中：
图1示出了根据本发明的一个典型的具有自供电电子组件的充气轮胎结构的基本剖面图；
图2A示出了根据本发明的用于发电装置中的第一压电结构实施例的基本透视图；
图2B示出了根据本发明的用于发电装置中的第二压电结构实施例的基本透视图；
图2C示出了根据本发明的用于发电装置中的第三压电结构实施例的基本分解透视图；
图3给出了根据本发明的发电装置的另一典型方面的概略示意图，特别是关于一个典型的功率调节模块；
图4A给出了一个方块图，其表示出了根据本发明的、包括发电装置和轮胎电子系统的典型集成自供电电子元件以及发电装置和轮胎电子系统的相互作用关系；
图4B给出了一个方块图，其表示出了根据本发明的、包括发电装置和轮胎电子系统的典型集成自供电电子元件以及发电装置和轮胎电子系统的另一可选的相互作用关系；
图5给出了一个方块图，其表示出了根据现有公开技术的典型轮胎电子系统；
图6给出了一个方块图，其表示出了根据本发明的典型远程接收装置；
图7A、7B、7C和7D分别示出了用在根据本发明的发电装置中的多压电元件堆叠结合的各种典型配置方式；
图8A和图8B分别示出了用在根据本发明的发电装置中的多压电元件串联且平行结合的典型配置方式；
图9A、9B和9C分别示出了多个压电元件连接在根据本发明技术的发电装置及轮胎电子系统实施例的一个或多个储能装置以及一个或多个应用电子模块的典型配置方式；
图10给出了轮胎的轴向半剖面图，该轮胎具有一个安装在轮胎内侧的车轮轮辋上的安全支撑件以及根据本发明的集成自供电电子组件；
图11给出了图10的轮胎和安全支撑件的轴向半剖面图，其中该安全支撑件处于轮胎缺气行驶状态；和
图12给出了具有根据本发明的集成自供电电子组件的非充气结构支撑轮胎的侧视图。
在整篇说明书和附图中所重复使用的附图标记应表示本发明相同或相似的特征或元件。应理解在附图中示出的各种特征不必严格按比例画出，因而在这些图中技术特征之间的相互关系不应限制于本公开
技术内容中。
具体实施方式
如上述发明内容简述部分所述，本发明具体涉及一种为集成在轮胎结构内的电子系统供电的改进的系统和方法。发电装置利用压电技术将轮胎挠曲变形的机械应变转化为电流，然后将该电流进行调节处理并储存在储能装置中。累积了足够的这种存储电能就可以给电子系统供电，例如包括识别各种轮胎物理参数的电子组件以及射频(RF)发射装置。
一种根据本发明技术内容的发电装置一般包括两个典型的组件，一个压电结构和一个功率调节模块。下面参考图2A、2B和2C来描述各种典型的压电结构方面，并参考图3来讨论一种典型的功率调节模块(具有储能装置)。对于在发电装置中的一个或多个压电元件典型配置的其它相关方面分别在图7A-7C、图8A和8B中示出。功率调节模块的输出可以优选用于为轮胎或车轮组件内部的电子系统供电。图5给出了轮胎电子系统的一个实例，该系统包括传感器、微控制器和RF发射装置。分别参考图4A和4B来讨论发电装置和轮胎电子系统之间的典型交互作用关系。其它的关于多个压电元件与一个或多个轮胎电子模块之间的交互作用关系的方面在图9A、9B和9C中给出了。最后，图6给出了一个接收来自轮胎电子系统发出的信息的远程接收装置配置的典型实施例。
对上述公开技术方面的选定组合对应于本发明的多个不同实施例。应注意到这里所给出的并讨论的各典型实施例绝不暗示是对本发明的限制。图示出的或描述的、作为一个实施例一部分的特征或步骤可以和另一实施例内容相结合从而产生另一个实施例。此外，某些特征可以和一些未明显提及但能完成相同或相似功能的类似装置或特征进行互换。同样，某些处理步骤也可以换成或结合应用其它步骤，以产生额外的利用转动轮胎机械能发电的方法的典型实施例。
现在详细参考本发明为轮胎或车轮组件内部的电子系统供电的系统和方法的优选实施例。参考附图，图1给出了具有根据本发明的自供电电子元件12的典型充气轮胎组件10的基本剖面图。发电装置(PGD)14优选地结合轮胎结构16内部的电子组件，从而使电子组件可以在轮胎组件10内自供电。
下文介绍的本发明的具有压电材料的发电装置与传统的在轮胎组件内提供电力的技术相比具有很多优点。前面提到过的天线电波电能提取技术已不再是为轮胎电子元件供电的有限选择了。同样，许多种轮胎电子元件的功能都被提高了。使用电池来发电已不再是必需的选择，这样可以避免昂贵且麻烦的电池更换。尽管在此公开的技术给出了可以取消天线电波电能以及电池的发电装置，但是应当理解该发电装置也可以包括压电技术和/或电池和/或天线电波提取相结合的混合式方案，从而在车轮组件内为不同的选定电子组件供电。
一种典型的充气轮胎结构16的特征在于支撑外胎面部分18的一个胎冠15以及延伸到胎边部分22的侧壁20。侧壁20通常在剖面线17和19之间延伸，胎冠15通常在两剖面线19之间延伸。设置轮胎胎边22，从而使轮胎结构16可以有效地安放在车轮组件的轮辋上。不透气材料的内衬构成了轮胎的内表面，其包括内胎冠面24和内侧壁面26。胎体23在穿过侧壁部分20的胎边22与胎冠15之间延伸，在充气压力下确定出轮胎的形状并传递力，以进行牵引和转向。在轮胎结构16内通常沿着胎冠15设置带束包(belt package)，该带束包包括至少第一条带21a和第二条带21b(通常由例如钢材料来构造)。在一些轮胎中，可以设置附加的重叠层或冠带层来盖在钢带上，并且帮助将带束包与轮胎隔开，从而得到增强的轮胎性能和寿命。冠带层部分25可以包括一层或多层工业织物加强件。
如图1的典型轮胎组件实施例所示，PGD 14可以安装在轮胎结构16的内胎冠面24上。这个位置通常很适于在外胎面部分18沿地面运动并使轮胎结构16挠曲变形时启动PGD 14内的压电装置的激励。这种在轮胎组件10沿地面移动时伴随机械振动的轮胎挠曲变形使得在发电装置14内的压电装置可以产生电流，然后再对该电流进行调节处理并储存在储能装置中，来为轮胎电子元件12供电。尽管内胎冠面24是安装发电装置14的一个合理的位置，但是应当理解PGD 14也可以安装到其它位置上，包括内侧壁面26。该位置为PGD 14内的压电元件提供较少的应变，但是仍然能够为某些电子应用提供足够的电力。
此外，PGD 14或者至少PGD 14的压电元件部分可以固化到轮胎结构16中。PGD 14或者PGD 14的压电元件可以嵌入轮胎结构16中的位置例子包括嵌入轮胎胎冠中，或者在胎面部分18和由第一钢带21a和第二钢带21b构成的带束包之间的最高点，在第一钢带21a和第二钢带21b之间的最高点，在最内侧钢带(例如图1中钢带21b)和内胎体23之间的最高点，在胎体23与沿表面24和/或26设置的内衬之间的最高点，在胎体23和内衬之间的侧壁中，在胎体和通常在位置27处的侧壁橡胶之间的侧壁中，或者嵌入通常所说的轮胎底部区域的位置29处，这些位置都是非限制性的。对于包括冠带层例如冠带层部分25的轮胎，另外的可嵌入PGD 14或者相应的压电元件的附加特定位置包括在胎面部分18和冠带层部分(cap ply portion)25之间或者在冠带层部分25与由第一钢带21a和第二钢带21b构成的带束包之间的最高点。
PGD 14或者其选定元件可选地可以在粘结或嵌入到轮胎之前先设置一个附加的橡胶或弹性体外壳以提供额外的保护。这种壳体可以附加地帮助将PGD附着在轮胎结构上。可选地，该橡胶壳体可以紧邻PGD14或其选定元件的一单独侧设置，以进行支撑，然后粘附在轮胎结构的内表面上。在另一实施例中，PGD 14可以另外安装到一个相对刚性的基片上，例如由纤维玻璃或者其它大致刚性的材料制成的基片，从而为该结构提供额外的保护和支撑。橡胶壳体和/或基片和/或其它紧邻PGD 14设置的元件一同作为PGD 14内更刚性的压电材料与轮胎结构16的相对柔性材料之间的机械接触面。提供这种机械接触面有助于保护轮胎结构16不被损坏，特别是可能由设置坚硬的压电元件而引起的损坏，同时还能保护压电元件不会产生由轮胎反过来作用在压电元件上而形成的相对极端的变形。在一些实施例中，会对中间层进行一些机械上的优化处理，以控制该接触面两侧上的应力(力)应变(位移)比。
安装衬板和压电元件的结合体的典型位置包括沿着面24和/或26或在轮胎结构16的外部设置的内衬。根据PGD 14的各种可能的安装位置，应当理解术语“集成”通常涵盖了所有可能的位置，包括安装到轮胎结构上或轮胎结构内。
本发明的压电技术也可以应用在非常规轮胎上，换句话说，轮胎具有在图1所示的典型结构的变型。在一个实施例中，在此公开的发电技术可以结合在具有安全支撑件特征的轮胎上应用，其中该安全支撑件安装在轮胎内侧车轮轮辋上，以在轮胎故障时承重，从而在缺气的情况下支撑轮胎的胎面带。现在讨论图10和11，以说明这种具有安全支撑件特征的轮胎内容。图10给出了一种安全支撑件150的轴向半剖面视图，其安装在车轮轮辋152上且位于相应轮胎156的空腔154内。轮胎156被设计成安装在车轮轮辋152上，特别具有两种不同直径的胎边。支撑件150具有三个主要部分：底板158，其整体形状为环形且由具有在大致零度时沿纵向定向的帘布层160增强；大致环形的、且具有在径向外壁中纵向槽164的顶部162；以及将底板158和顶部162结合到一起的环形体166。内腔168部分确定出来的空腔可以减轻支撑件150的重量，并且可以在缺气行驶条件下(即，轮胎充气压力完全或部分损失的情况)和支撑件150的其它部分一起为轮胎提供均匀的支撑。图11示出了一类似于图10的安全支撑件例如在缺气行驶条件下沿路面行进时的情况。支撑件150的顶部162与轮胎156冠带层的径向内表面相接触，从而防止轮胎156在损失胎腔154气压的情况下置于轮辋152上。这种具有安全支撑件的轮胎的其它细节都在美国专利No.5,891,279( Lacour)中披露了，在此结合其全部内容作为参考。应当理解其它特定的安全支撑件也可以用于轮胎结构内。尽管在上述专利中披露的支撑件是一个基本实心的环形装置，但是也可以用其它的支撑材料(例如泡沫橡胶)来制成其它的支撑件实施例，以在轮胎缺气行驶模式下承受变形。
仍然参考图10和11，一压电元件或PGD 14的其它选定部分可以集成在该典型缺气行驶轮胎结构的安全支撑件150上。例如，PGD 14或PGD 14的一部分可以集成在安全支撑件150的顶部上，例如在槽164之间。一个可选的安装位置可以是内腔168所限定区域的内表面。应当理解PGD 14或者特别是PGD 14的压电元件可以安装到、连接到或者嵌入到具有安装支撑件特征的轮胎的其它位置上，以便于缺气行驶，这也包括在本发明的宗旨和范围内。
当例如参考图10和11所述的轮胎在正常充气压力下行驶时，轮胎156经受变形，但是安全支撑件150不产生变形。然而当该轮胎在缺气模式下行使时(也作为扩展机动性模式被引用)，该安全支撑件150变形。由这种变形引起的应变使得集成在安全支撑件150上的压电元件产生电能。这种电能的产生可以用于触发一个可视的和/或发声指示器、警报器或者其它的信号机构，以通知驾驶员该轮胎已在缺气模式下行驶了，其中至少一个轮胎完全或部分损失充气压力。该产生的电能还可以用来为轮胎/车轮组件内的电子装置供电。电子装置可以用于执行以下典型功能，例如计算具有安全支撑件的轮胎在缺气行驶模式或者扩展机动性模式下行驶时轮胎的转数或者历时英里数、公里数等，测量作为指示轮胎缺气的严重程度的指示器的安全支撑件的接触衬板的长度，以及测量在扩展机动性模式下行驶时安全支撑件的温度。上述典型数据的选定组合可以用于确定该安全支撑件的剩余有效使用寿命。该安全支撑件的剩余有效使用寿命以及其它相关数据，包括指示轮胎在什么时候处于缺气状态下行驶的信息，都可以储存在一个固定到该轮胎安全支撑件之上或之内的接口存储装置中。当使用轮胎时，技师可以判断该支撑插件是否需要更换。在某些实施例中，可以累积足够的电能来向车辆的中央位置发送一个无线信号，以在警报条件存在时警告驾驶员。
可以采用的另一种具有本发明压电技术的轮胎实例是与图10和图11所述轮胎不同的结构支撑轮胎。现参考图12来简要介绍一下这种非充气式的结构支撑轮胎。图12的非充气轮胎170被设计成仅通过其结构组件来支撑负重，并且与传统充气轮胎结构相反，不需要内部充气压力来承重。结构支撑非充气轮胎170具有接触地面的胎面部分172、设置在胎面部分径向内侧的增强环形带174、多个横向延伸并从环形带径向向内延伸的辐板176、和一个位于辐板径向内侧端上的安装带178。该安装带178将轮胎170固定到车轮180或轮毂上。尽管在图12中未明确示出，多个附加的辐板可以在赤道平面内延伸设置。增强环形带174可以具体包括一弹性体剪切层、一粘附在该弹性体剪切层径向最内侧的第一隔板和一粘附在该弹性体剪切层径向最外侧的第二隔板。这些隔板的抗拉刚度大于剪切层的抗剪刚度，使得该增强环形带可以承受由负载产生的剪切变形。该增强环形带174支撑作用在轮胎上的负重。如图12所示，置于轮胎转动轴线X上的载荷L通过辐板176的张力传递到环形带174上。该环形带174以类似于弓的方式作用，并在轮胎赤道平面上提供一个圆周方向上的抗压刚度以及一个纵向上的抗弯刚度，且这些轮胎赤道平面足够高从而可以作为一个承重元件。在载荷作用下，环形带通过包括该带的剪切变形在内的机构而在与地面相接触的区域C上发生变形。剪切变形能力使得与地面接触区域C可以类似于充气轮胎起作用，并且具有相似的优点。关于如图12所示的结构支撑非充气轮胎的其它特征都已在公开号为2004/0159385的美国专利申请中公开了，在此结合其全部内容作为参考。
仍然参考图12，PGD 14的压电元件或者其它选定部分可以集成在该结构支撑非充气轮胎170上。例如，PGD 14或者PGD 14的一部分可以集成在接触地面的胎面部分172的内部、在增强环形带174的内部或者在一个或多个辐板150上。应当理解PGD 14或者特别是它的压电元件可以安装到、连接到、或者嵌入到结构支撑非充气轮胎的其它位置上，这也在本发明的宗旨和保护范围内。
当如图12所述的轮胎沿地面转动时，其会发生变形。这种由变形引起的应变使得集成在非充气轮胎170内的压电元件产生电能。然后该电能可以用来为轮胎/车辆组件内部的电子装置供电。电子装置可以用来执行以下典型功能，例如计算非充气轮胎行驶的转数或者历时英里数、公里数等，测量非充气轮胎胎面接触块的长度以指示轮胎承载的严重程度，以及测量非充气轮胎的温度。上述典型数据的特定组合可以用于确定该非充气轮胎的剩余有效使用寿命。该非充气轮胎的剩余有效寿命以及其它相关数据可以储存在一个固定在该非充气轮胎之上或之内的接口存储装置中。在一些实施例中，可以累积足够的电能来向车辆的中央位置发送一无线信号，以在存在警报条件时警告驾驶员。
PGD 14通常包括两个主要组件，一个压电装置和一个功率调节模块。该压电装置受到轮胎转动所产生的机械应变的作用，从而在一个或多个压电元件上产生电荷(本领域技术人员所公知的)。然后优选地将该电荷提供给功率调节模块，在该模块处对所得到的电流进行整流、调节并储存来为电子元件供电。
该压电装置可以包括多种压电材料，包括但不限于钛酸钡、聚偏二氟乙烯(PVDF)、锆钛酸铅(PZT)晶体或者PZT纤维。可以用于本发明的发电装置中的一种特殊类型的压电材料是压电纤维复合结构，例如授权给 Hagood、IV等的美国专利No.5,869,189和No.6,048,622中公开的，在此结合其内容作为参考。一种可以用在本发明中的类似这种活性纤维复合材料(Active Fiber Composites，AFC)的实例是“PiezoFlex”牌的技术，例如由Continuum Control Corporation发售的。
图2A示出了一种根据在此公开的发电装置的典型发明的压电AFC结构28的等距视图。这种压电AFC结构28包括多个压电纤维30，这些压电纤维30单向排列，为该AFC结构28提供激励及刚性。纤维30由环氧树脂或者聚合物的树脂基体32包围，从而通过加载传递机制提供损坏韧性。这些压电纤维都具有相同的极性方向34，该极性方向与纤维间相互平行的轴向排布方向相横交。
优选在沿着该纤维/树脂基体结构的两个相对表面上的各个基片上设置电极层，以为AFC结构28提供电输入和电输出。根据图2A的典型实施例，电极层36被配置成具有指极性交错的交叉指型排布形状。这种交叉指型电极层36可以用本领域公知的丝网印刷术和导电墨水，例如载银环氧树脂(silver-loaded epoxy)，来蚀刻到各基片层(例如聚酰亚胺或者聚酯材料的)上。图2A所示的交叉指型电极排布结构被设计为增强AFC结构28的电-机械响应的方向性，并提供相对较高的电荷耦合系数。在电极36和纤维30之间的树脂基体32的数量优选设成最小，以获得更佳性能。
在本发明技术主题中AFC结构中的纤维相对于轮胎结构的定向是一个特别的设计要素。当将纤维沿轮胎的圆周方向定向时，压电纤维受到基本较高的拉应变和较低的压应变。将纤维沿轮胎的径向方向定向对应于主要从径向应变上获得电能。这种定向方法不易损坏纤维，但是使纤维压缩脱芯(compressive depoling)的更高的磁化系数。因而，本发明主题的发电装置的压电衬板沿轮胎结构顶部的径向与周向定位取决于衬板的尺寸以及轮胎所要经受的特定环境。更具体地说，压电AFC结构的最优定位和定向可以基于以下因素，例如每个轮胎周期所需的最大电力、径向安装方向与周向安装方向的最大拉应变及最大压应变、以及给定次数下的AFC结构的应变均匀性。
例如图2A典型实施例的压电AFC结构的更具体的特征可以适应于不同的应用。例如，压电纤维可以是多种不同的PZT材料，包括PZT 5A、PZT 5H、PZT 4、PZT 8以及PMN-33PT。另外一个特定的设计限制是压电纤维的直径38，其通常在三个千分之一英寸(密耳)到十五密耳左右范围内。其它的对特殊应用进行设计的特定尺寸包括交叉指型层36的电极指宽度40和间距42。电极指宽度40的一个实例是25密耳左右，电极间距42的一个典型范围是20密耳左右到100密耳左右。用在本发明主题中的整体压电AFC结构的一个特定实施例包括具有45密耳电极指间距的交叉指型电极以及直径为10密耳的PZT-5A压电纤维。
用在本发明主题的发电装置中的压电结构的其它设计限制要根据具体应用来考虑。比如，对于集成在轮胎结构内部的压电衬板就要考虑其某些尺寸和处理能力上的设计限制。假设根据在此公开技术的PGD包括一个沿轮胎顶部周向安装的压电装置和一个集成功率调节模块。该PGD优选具有附加的橡胶或弹性体外壳或者支撑在橡胶、纤维玻璃或者其它的支撑基片上，从而在其附在轮胎内部中时可以为其提供额外的保护。橡胶外壳或基片还可以便于PGD附着在轮胎结构上。
根据上文所述的这种典型的PGD结构，通常不再对压电衬板进行长度上的限制；然而，试验表明大于70mm长的衬板易于损坏。在某些应用中所需的最大宽度在80mm左右。在某些应用中该压电衬板(不具有功率调节模块)的最大厚度可以为大约700微米，最大重量约为20克(包括压电衬板和功率调节模块)。为了将压电衬板粘结在橡胶衬板上以安装到轮胎内部，该衬板通常可以在大约20巴(Bar)压力下承受170摄氏度约30分钟，以及在20巴压力下承受150摄氏度约60分钟。应当理解这些特定限制可以根据相关材料及粘结技术的进步而改变。此外，根据本发明主题的PGD优选可以忍受从一40摄氏度到125摄氏度的操作环境，轮胎的最大速度大约为160kph，其寿命或者是十年或者70万英里。
根据本发明的某些实施例，可以用在PGD 14中的另一种压电衬板是基本实心的压电陶瓷晶片。这种压电陶瓷晶片可以是单晶结构或多晶结构，包括但不限制于多晶铁电材料，例如钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PZT)。
现参考图2B，示出了一种更为具体的可以用在本发明发电装置14中的压电装置28’。压电装置28’是一个或多个压电陶瓷晶片，其为保护外壳108之内的单压电晶片、双压电晶片或者堆叠/夹层布置的晶片之一。单压电晶片结构通常是压电陶瓷材料的单模块(即，层)部分，在某些实施例中其可以粘结在惰性基片上。双压电晶片结构通常是两个压电陶瓷材料模块(即，层)部分，其粘结在一中心金属垫板的两个相对侧面上，而堆叠或夹层结构是几个压电元件相互并联接布置。在某些应用中，双压电晶片结构以及堆叠结构相对于单压电晶片结构来说在一定的机械位移量下可以产生更高的电荷量。
仍然参考图2B，内设有一个或多个压电陶瓷晶片的保护外壳108可以用作压电陶瓷晶片的电绝缘，以及防潮和防止可能的划伤。在一些实施例中，压电陶瓷晶片可以包括特定的PZT材料，例如PZT-5A和/或PZT-5H。分布电极110可以由例如镍的材料制成，并且可以设置在组件的顶面和底面上，以分别连接第一电导线112和第二电导线114。连接导线112和114的管脚可以通过连接器元件120得到，以形成一个不用焊接导线的可靠成分。连接器元件120上的其它管脚可以设置各自的电连接116和118，以在压电装置28’内极化压电陶瓷元件。图2B代表的、且可以应用到本发明中的这类压电装置的一个具体实施例可以是“QuickPack”牌技术(例如，ACX QuickPack-PowerAct QP15W)，例如由MidéTechnology Corporation发售的。
图2C中的元件28”代表了另外一种用在根据本发明的发电装置中的压电装置的实施例。图2C画出了压电元件28”的基本分解透视图，包括多个大致堆叠布置层，其中每个单独材料层相互叠加。在包括压电元件28”的分层合成物的第一层是金属基片层120，例如但不限制于不锈钢层。接下来的粘合层122围绕压电材料的内层124。压电层124在一些实施例中可以是压电陶瓷材料例如PZT。粘合层122在一些实施例中包括-聚酰亚胺材料或者更具体地可以是高温热塑性聚酰亚胺(例如，NASA的兰利研究中心，NASA’Langley Research Center，研发的LaRCTM-SI牌材料)。压电元件28”的顶层126包括金属材料例如但不限于铝。这些层可以通过将整个组件置于高压釜中而结合到一起，在高压釜中这些多层结构被加热、挤压、蒸煮、然后再冷却到室温。当压电元件28’开始冷却时，粘结到压电陶瓷层124上的基片层120可用来将压电陶瓷层124保持为压缩状态，同时其本身处于连续拉伸状态。这种所产生的预应力可以使得压电装置最终形成一个略微弯曲的构形，并使得最终装置能够比常规的不开裂的压电装置承受更大的机械变形。
图2C所代表的、并且可以应用到本发明中的这种压电装置可以是“THUNDER”牌技术(例如，Face Thunder Actuator 6R)，例如由FaceInternational Corporation发售的。THUNDER牌产品通常是薄层单晶片铁电驱动器及传感器装置，其由多层固定成“夹层”组件的材料层制成，具有高强度的粘结材料以提供内预应力。尽管在装置的制造过程中产生的预应力相对较大，压电元件28”的粘结层122都将装置的各个层固定到一起。
应当理解凡是本领域技术人员可以想到的关于上文讨论的用于本发明发电装置中的典型压电装置的各种变形都可以采用，并且这些变形都包括在本发明的宗旨及范围内。例如，尽管在此给出的压电装置通常是矩形的，但可理解各种形状(例如圆形、正方形或者其它形状)的压电元件都可以采用。其它在压电元件的几何形状、尺寸、材料类型等方面的改进通常都被认为属于本领域普通技术人员可以预见的范围内。
另外一种根据本发明实施的设计内容是关于多个压电元件的组合，例如下面将要讨论的关于图7A-7D以及8A-8B的内容。图7A-7D示出了多个元件130如何在轮胎PGD内垂直堆叠的各个典型结构。尽管在图7A-7D的各个结构布局中仅示出了两个压电元件，但是可以理解还能使用多于两个的压电元件。压电元件130可以是单晶结构或多晶结构的压电陶瓷材料，包括但不限于多晶铁电材料，例如钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PZT)。尽管在图7A-7D中未示出，但应当理解可以在各相邻的压电元件130之间设置中间导电垫片，例如在某些双压电晶片以及堆叠压电结构中的技术特征。
图7A-7D所示的各种结构表示相结合的压电元件130的不同极性和位移模式。在各压电元件130内的短箭头132和134表示各压电元件的极性方向，通常从正指向负电极，在制造这种压电元件130的过程中会在负电极上施加一个高DC电压。尽管不限于图7A-7D所示的典型极性配置，但是所有这类压电元件130的特征都在于大致平行于参考轴3的极化向量132和134。图7B和7D分别示出了具有两个同相极性向量的压电元件130的结构，而图7A和7D分别示出了具有两个相反或不同相的极性向量的压电元件130的结构。图7A和7B的压电构形都是d33模式，其中位移力(箭头136表示)是和电场方向以及极性方向相同的扩张力。图7C和7D都是d31模式，其中位移力(箭头138表示)是垂直于电场方向以及极性方向相反的压缩力。
图7A-7D的结构分别表示出了多个压电材料如何像一个单一压电元件一样在一个给定应变区域内具有相同覆盖区域的实施例。这种布置可以在轮胎或车轮组件的每次转动过程中当压电元件经过其胎面接触块时产生更多的能量输出。
现参考图8A和8B，应当理解压电元件140可以串联(例如图8A所示)，也可以并联(例如图8B所示)，或者当有两个以上的压电元件组合时可以并联串联相结合。压电元件140的串联与单独一个压电元件相比可以提供通常较高的电压输出以及较低的电流输出。这种结构，如图8A所示，可以特别用在传感应用中，例如当压电元件经过轮胎或车轮组件的胎面接触块时检测轮胎转数。压电元件140的并联可以提供通常较低的电压输出和较高的电流输出，这在能量收集应用中特别有用。这种结构，如图8B所示，可帮助减少能量泄漏，简化功率调节电子元件。压电元件140可以是前面参考图2A、2B和2C分别图示并讨论过的压电元件28、28’和28”，或者是在其它实施例中的压电陶瓷晶片，例如图7A-7D所示的元件130。
除了压电元件之外，PGD 14的第二个主要成分是功率调节模块，在图3中示出了一个典型实施例。根据本发明的功率调节模块的主要功能是整流、调节并储存压电结构140所产生的电荷。一般说来，功率调节模块可以特别用于不同的收集电能的电子应用中。根据本说明书公开的一种轮胎监测系统的典型实施例，图3所示的典型功率调节模块是根据某些动态能量需要来进行设计的。具体而言，图3的典型功率调节模块用于使输出电压44大致为五伏左右，输出电压44的最大波动在±10毫伏左右，输出电压44的最小占空因数为5秒左右。图3的功率调节模块运行的其它设计需要是电子系统内的最大能量需求约为4毫焦，电子系统运行的持续时间大约在25毫秒到200毫秒之间，这取决于电子系统的功能。
进一步参考图3的典型功率调节模块，一个或多个压电元件140与整流器并联，例如全桥整流器46。备选的整流器配置可以是双整流器或者N阶倍压器。来自整流器46的整流信号随后储存到电解电容48中。图3的典型功率调节模块所采用的一种特定电解电容48的例子可以是Panasonic的TEL系列的电容约为47μ法拉的钽电容器。其它特定的电解电容也可以类似地在根据在此公开的功率调节模块中用作储能元件。其它的储能元件例如可充电电池或者超级电容器也可在某些应用中作为替代，用作功率调节模块的储能装置。
一旦在电解电容48(或者其它适合的储能装置)中积累了足够量的电能，则DMOS FET晶体管54用作一个开关来向稳压器54释放电容48中储存的能量。适于应用在图3的典型实施例中的稳压器实例可以是双模式五伏特的可编程微功率稳压器，例如Maxim Integrated Products出售的MAX 666牌。这种稳压器非常适用于特别由电池供电的电子系统，可以有效地将电容48的电压转化成稳定的五伏输出电压44。另外在图3的典型功率调节模块中设置双极PNP晶体管50和齐纳二极管56。
开始时，晶体管50和54关断，晶体管54的接地漏极悬空，从而没有输出电压44。当电容48充电到足够的电压电平时(由齐纳二极管56与晶体管50的基-发射结决定)，晶体管50导通，激励晶体管54并闭锁晶体管50。此时，电容48放电并通过电路提供五伏稳定输出电压44给电子系统。典型地，当输出电压44所供给的电子器件完成其正常工作时，电子系统发回一个信号给信号通路58，通过电阻60和电容62来关闭PNP晶体管50，并中止FET 54，从而可以再一次在电容48中积累电能。
根据本发明，PGD 14产生的能量可以应用到各种电子系统(TESs)中。图4A和4B分别示出了PGD 14和TES 12的相互作用。
根据图4A，能量积累在PGD中的储能装置中(例如，电容48)，直到所得到的电荷量足以执行TES 12的所需功能。在供电循环之间，TES 12保持不被供电，从而TES 12的激活由PGD 14的储能装置累积电能的速率来控制。当在PGD 14中积蓄了足够的电能时，分别在通路64和66将供给电压“Vdd”和接地电压“Vss”提供给TES 12。TES 12会沿通路58返回一个“通电”信号，表示TES 12中的电子元件当前已经开始工作了。当TES 12中的给定电子元件完成了各自任务时，“通电”信号下降，且PGD 14的储能装置重新积累电能。重复该循环直到轮胎组件转动大于等于一个速度阈值为止，该阈值通常为20公里/时左右。
根据参照图4B所给出并进行讨论的相互作用实施例，PGD 14持续给TES 12提供电压信号“Vdd”和接地信号“Vss”以及“油量计(fuelgage)”信号，该“油量计”信号表示储存在PGD 14中的电量。当给TES 12供电时，一个微处理器或者其它适合的电子组件可以定期激活自身，监测来自PGD 14的“油量计”信号。如果在PGD 14的储能装置中有足够的电能可用，则TES 12开始进行一特定任务。如果没有足够的电能可用，则TES 12进入一个低能耗模式，在该模式中其消耗少于1μA的电力。此后周期性地检测油量计信号，直到积蓄了足够的电能。这种等待足够的电能累积、进入特定任务、以及返回到低能耗模式的循环优选以连续方式重复进行，直到该轮胎转动速度达到或超过一给定速度阈值为止。
如前文所述，TES 12可以包括多种不同的电子应用，其取决于轮胎或车轮组件上具有何种电子元件。轮胎电子系统12的一特定实施例即是一个如下文将要参考图5讨论的轮胎监测系统。具体来说，图5的轮胎监测系统测量轮胎结构内部的温度和压力，并将结果通过射频(RF)发射装置68传送给远程接收位置。用在上述公开的技术内容中的发射装置及接收装置模块的各个实施例分别对应于Radiometrix Ltd发售的TX2牌和RX2牌的UHF FM数据发射装置和接收装置模块。
上文参照图4A和4B所讨论的五伏电力信号“Vdd”、接地信号“Vss”或者“通电”或“油量计”信号优选由PGD 14提供给一微控制器70。可用在上文所公开的技术中的一种适合的微控制器实例可以是一个Microchip牌的PIC16LF876的28针CMOS RISC微控制器。当给输入路径64通电并向温度传感器72和压力传感器74(以及任意附加的传感器，或者适于用在TES 12中的电子装置)供电时，微控制器70被激活。适于用在上述技术中的温度传感器72实例可以是National Semiconductor发售的LM50SOT-23单电源摄氏温度传感器。适于用在上述技术中的压力传感器74的实例可以是ICSensor及Measurement Specialties Inc.发售的模型1471印刷电路板可安装压力传感器。附加传感器76、78、80分别测量轮胎结构或相应车轮组件的其它附加特征。
图5的TES 12实施例的另一组件是可充电电池81，其被设计成可以接收PGD 14的压电结构28所产生的电荷并且能够储存用于集成轮胎电子元件上的额外电能。储存在电池81中的电能通常可以比其它的储能装置例如电容器48储存更长的时间。当压电装置的启动不能产生足够的电能时，储存在电池81中的电能可以提供给微控制器70。这种情况发生在例如当车辆静止时或者当轮胎从车辆上拆下时。例如，当地勤人员检查商务飞机的静止轮胎的气压时，需要用储存的电能给TES 12供电。同样，当轮胎从车辆上拆下时，电池81可以用于给TES 12供电，从而获得管理轮胎的有关产品清单或翻新的信息。
进一步参考图5的典型TES实施例12，微控制器70优选包括模拟数字(A/D)转换器，其接收分别来自传感器72至80的信息，并将其转化为数字信息。微控制器70还包括存储器，优选为永久性的EEPROM，在其中存储唯一的识别标志，该标志可提供识别该轮胎或车轮组件的充足信息。这种识别变量在例如卡车车队、飞机等商务应用中用于跟踪轮胎及车辆时特别有用。当微控制器70获得例如由传感器72至80分别提供的所需信息并将其转换为数字信息之后，微控制器70优选切断传感器电源，并分别接通给RF发射装置68供电的线路82和84。然后将所需的数字信息通过数据线86输出给RF发射装置68，在此将数据调制为调频载频信号并通过天线88发给远程接收位置。
根据本发明的具有自供电电子元件的车应用轮胎组件优选地配置了单接收装置，以从每个轮胎组件处获得无线发送信息。图6示出了根据本发明的典型远程接收装置结构90的方块图。接收装置天线92便于接收由每个车轮组件发送的信息，并将该信息发送给RF接收装置94，其中该接收信息从载频信号解调制，并在通路94上提供给信号处理器98。载频探测信号也通过信号通路100从RF接收装置94提供给信号处理器98。该从RF接收装置94输出的数据和该载频探测信号优选地在信号处理器98中相乘(multiplied)，从而得到没有寄生噪声的信号。然后，具有减小的误差可能性的数据信号优选地发送给驱动器电路，该电路将数字信号转换成具有适于通过RS232接口102发送给主机104的电压电平的信号。终端仿真软件优选地提供给主机104，从而该通过RS232接口102接收的数据被转换为易于终端用户使用的信息，例如由可读显示模块提供。
应当理解根据在此公开的技术内容，除了本说明书具体公开的电子装置以外，其它的电子装置也可以利用该发电技术。例如，可能需要传递除了温度、压力和识别信息以外的其它类型信息给远程位置。例如包括轮胎转数数目、轮胎偏移量以及车速。美国专利No.5,749,984公开了可以采用本发明的轮胎监测系统的其它方面，在此结合作为参考。轮胎电子系统可以和全球定位系统(GPS)相连，以指示车辆的准确位置。压电PGD可以可选地用于为车轮组件的发光组件或反馈系统供电。可以根据在此公开的技术内容供电的电子应用数量是非常巨大的，且不能限制本发明。
应当进一步理解根据在此公开的技术内容，本发明的发电系统和方法的实施例不限于每个轮胎或车轮组件只有一个发电装置和一个轮胎电子模块。多个在此公开的电子元件的特定组合也不限于本发明的精神和范围。现参考图9A、9B和9C，给出了在例如图1所示的轮胎内或者相应的车轮组件内可能结合的特征的各种典型组合。
现参考图9A、9B和9C，在轮胎或车轮组件内可以设置多个压电元件140。这些压电元件140可以在轮胎或车轮组件内定位在相互靠近的位置上，或者分散在遍及轮胎或车轮组件的不同位置上。在某些实施例中，压电元件140可以包括如图2A、2B和2C分别图示并讨论的特定的典型压电元件28、28’、28”，或者在其它实施例中包括压电陶瓷晶片，如图7A-7D分别示出的元件130。当图9A的各压电元件经过所安装的轮胎或车轮组件的胎面接触块后，该压电元件140就产生电能。
特别参考图9A，压电元件140可以是串行电连接或并行电连接，且都和一个中央储能模块142相连。各储能模块142包括选定的功率调节电路，例如图3所示的实施例，其包括一个例如电容或者电池的储能装置，用于储存各压电元件140产生的电能。单独的储能模块142还与例如TES 12的电子模块相连，从而使TES 12内的选定应用电子元件可以接收储能模块142储存的电能。
特别参考图9B和9C，分布式压电元件140可以是串行电连接或并行电连接，且分别和不同的部分储能模块142相连。各储能模块142包括选定的功率调节电路，例如图3所示的实施例，其包括一个例如电容或者电池的储能装置，用于储存各压电元件140产生的电能。参考图9B，多个储能模块142可以串行电连接或并行电连接，以将能量传递给例如TES 12的中央电子模块，从而使TES 12内的特定应用电子器件可以接收储能模块142储存的电能。可选地，如图9C所示，多个储能模块142的每一个都可以分别向部分电子模块例如TES 12传递能量。应当理解多个部分电子模块12可以分布在轮胎或车轮组件的各个位置上，并且能执行类似的功能，或者可以被设计成执行不同的功能，例如在不同的位置上分别测量不同的参数。
尽管根据本发明的特定实施例来具体描述本发明，但是应当理解本领域技术人员在理解了上述内容的基础上，可以很容易地对上述实施例进行变换、修改以及等效方案。因此，本公开内容的范围仅仅是用于举例说明而不是用来限制本发明的，且本发明不排除对本领域技术人员来说显而易见的那些对本发明的改型、变形和/或补充。

Claims (49)

1.一种具有发电技术特征的轮胎组件，所述轮胎组件包括：
充气轮胎结构，其特征在于具有与地面接触的外胎面部分的胎冠、将所述充气轮胎结构固定到车轮轮辋上的胎边部分、和在胎边部分和胎冠部分之间延伸的侧壁部分，其中在该充气轮胎结构内的横跨所述侧壁部分的所述胎边与所述胎冠之间设有胎体，其中在所述充气轮胎结构的所述胎面部分和所述胎体之间设置带束包，并且其中内衬构成了所述充气轮胎结构的内表面；
集成在所述充气轮胎结构上的压电装置，当所述轮胎结构受到机械应变作用时该压电装置内可以产生电荷；以及
与所述压电装置相连的电子组件，从而所述电子组件的选定电子元件可以通过所述压电装置所产生的电荷供电。
2.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置嵌入到所述充气轮胎结构的所述胎面部分与所述带束包之间的胎冠内。
3.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置嵌入到所述充气轮胎结构的所述带束包与所述胎体之间的胎冠内。
4.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置嵌入到所述充气轮胎结构的所述胎体与所述内衬之间的胎冠内。
5.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述充气轮胎结构还包括在所述带束包和所述胎面部分之间的冠带层，且所述压电装置嵌入到所述充气轮胎结构的所述胎面部分与所述冠带层之间的胎冠内。
6.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述充气轮胎结构还包括在所述带束包和所述胎面部分之间的冠带层，且所述压电装置嵌入到所述充气轮胎结构的所述带束包与所述冠带层之间的胎冠内。
7.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述带束包包括第一和第二钢带，所述压电装置嵌入到所述充气轮胎结构的所述第一钢带与所述第二钢带之间的胎冠内。
8.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于还包括设在所述压电装置附近且支撑所述压电装置的至少一个面的橡胶衬板。
9.如权利要求8所述的轮胎组件，其特征在于所述橡胶衬板安装在所述充气轮胎结构的内衬上。
10.如权利要求8所述的轮胎组件，其特征在于所述橡胶衬板安装在所述充气轮胎结构的外胎面部分上。
11.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置安装在所述充气轮胎结构的所述胎体和所述内衬之间的侧壁内。
12.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置安装在所述充气轮胎结构的所述胎体和所述轮胎外层之间的侧壁内。
13.如权利要求1所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置安装在靠近所述充气轮胎的胎边部分的底部区域上。
14.一种具有发电技术特征的轮胎组件，所述轮胎组件包括：
充气轮胎结构，其特征在于具有与地面接触的外胎面部分的胎冠；
用于安装到轮辋上的、位于所述充气轮胎结构内部的安全支撑件，以在缺气情况下支撑所述充气轮胎结构的胎面部分，所述安全支撑件包括环形体，其内表面围绕轮辋装配，外层部分在缺气情况下与胎面部分咬合；
压电装置，其被设计成当所述充气轮胎结构处于缺气行驶状态时所述安全支撑件受到机械应变作用，从而在该压电装置内可以产生电荷；以及
与所述压电装置相连的电子组件，从而所述电子组件的选定电子元件可以通过所述压电装置所产生的电荷供电。
15.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置连接到所述安全支撑件的外层部分上。
16.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置嵌入到所述安全支撑件的一部分内。
17.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于还包括设在所述压电装置附近且支撑所述压电装置的至少一个面的橡胶衬板。
18.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括具有多个嵌入到环氧树脂基体内的压电纤维的纤维复合结构。
19.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括：
至少一个压电晶片；
保护外壳，基本上能包围所述至少一个压电晶片；和
第一和第二电导线，用来连接所述至少一个压电晶片。
20.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括：
压电材料层，其特征在于具有第一和第二相对侧面；和
第一和第二传导层，分别设在所述压电材料层的所述第一和第二相对侧面旁边，并且通过各自的粘结层固定到其上。
21.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括多个串联或并联的压电陶瓷元件。
22.如权利要求21所述的轮胎组件，其特征在于所述多个压电陶瓷元件的极化方向被设置成同相或者反相。
23.如权利要求21所述的轮胎组件，其特征在于所述多个压电陶瓷元件的位移被设置成为d33或d31之一。
24.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括至少一个压电元件，该压电元件可以从下述材料：锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、石英、硫化镉、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)组成的群组中进行选择。
25.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于至少一个设在所述电子组件内的电子元件是用于计算所述充气轮胎在缺气行驶期间的转数。
26.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括至少一个传感器，其被配置为监测轮胎压力和轮胎温度中的一个或多个。
27.如权利要求26所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括射频(RF)装置，用于将所述至少一个传感器监测到的选定信息传输给远程位置。
28.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于至少一个设在所述电子组件内的电子元件被配置为测量安全支撑件在缺气行驶期间的胎面接触块，以指示所述充气轮胎结构的缺气程度。
29.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括存储装置，用于在其内存储有关所述安全支撑件的使用历史的信息。
30.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括触发机构，用于发出所述轮胎结构气压损失的信号。
31.如权利要求30所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括射频(RF)装置，以将所述触发机构发出的指示轮胎压力损失的信号传输给远程位置。
32.如权利要求14所述的轮胎组件，其特征在于至少一个设在所述电子组件内的电子元件被配置为将压力损失的指示信号提供给所述充气轮胎结构。
33.一种具有发电技术特征的轮胎组件，所述轮胎组件包括：
非充气结构支撑轮胎，其包括增强环形带、多个横向延伸并从该增强环形带径向向内延伸的辐板、和一个位于辐板径向内侧端上的安装带；
集成在所述非充气结构支撑轮胎上的压电装置，当所述轮胎结构受到机械应变作用时该压电装置内可以产生电荷；以及
与所述压电装置相连的电子组件，从而所述电子组件的选定电子元件可以通过所述压电装置所产生的电荷供电。
34.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述非充气结构支撑轮胎还包括设置在该增强环形带径向外侧的胎面部分。
35.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置安装在所述非充气结构支撑轮胎的增强环形带的内部。
36.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置安装在所述非充气结构支撑轮胎的多个辐板中的一个或多个上。
37.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于还包括设在所述压电装置附近且支撑所述压电装置的至少一个面的橡胶衬板。
38.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括具有多个嵌入到环氧树脂基体内的压电纤维的纤维复合结构。
39.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括：
至少一个压电晶片；
保护外壳，基本上能包围所述至少一个压电晶片；和
算一和第二电导线，用来连接所述至少一个压电晶片。
40.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括：
压电材料层，其特点在于具有第一和第二相对侧面；和
第一和第二传导层，分别设在所述压电材料层的所述第一和第二相对侧面旁边，并且通过各自的粘结层固定到其上。
41.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括多个串联或并联的压电陶瓷元件。
42.如权利要求41所述的轮胎组件，其特征在于所述多个压电陶瓷元件的极化方向被设置成同相或者反相。
43.如权利要求41所述的轮胎组件，其特征在于所述多个压电陶瓷元件的位移被设置成为d33或d31之一。
44.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述压电装置包括至少一个压电元件，该压电元件可以从下述材料：锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、石英、硫化镉、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)组成的群组中选择。
45.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于至少一个设在所述电子组件内的电子元件被配置成计算所述非充气结构支撑轮胎行驶的转数。
46.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括至少一个传感器，其被配置成监测轮胎压力和轮胎温度中的一个或多个。
47.如权利要求46所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括射频(RF)装置，用于将所述至少一个传感器监测到的特定信息传输给远程位置。
48.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于至少一个设在所述电子组件内的电子元件被配置成测量该非充气结构支撑轮胎的胎面接触块，以指示所述轮胎的负载水平。
49.如权利要求33所述的轮胎组件，其特征在于所述电子组件包括存储装置，用于在其内存储有关所述非充气结构支撑轮胎的使用历史的信息。
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