直接式TPMS智能传感器自供电技术

豆亚萍

【摘 要】针对直接式TPMS智能传感器电池能耗高，使用周期短，不易更换等问题，提出一种基于压电振子能量收集，经过整流滤波稳压实现超级电容存储的自供电技术，利用多片壓电薄膜材料制成的压电振子将汽车轮胎振动能直接转化成电能，将输出的交流电经过整流滤波稳压转化成直流电存储在超级电容里，从而实现对智能传感器的自供电，该技术延长直接式TPMS智能传感器工作周期，保证TPMS系统持续工作，提高行车安全性。

【关键词】直接式TPMS智能传感器；压电振子；超级电容；自供电技术

0 引言

TPMS是汽车轮胎压力实时监测系统，自动监测汽车轮胎气压，对轮胎漏气和低气压进行报警，提高驾驶安全性，TPMS 智能传感器体积小，功能强大，通常携带一体化能量有限的电池，工作周期短，通过更换电池实现TPMS智能传感器持续工作是不现实的。因此，本文提出一种利用压电振子进行能量收集，经过整流滤波稳压电路实现超级电容能量存储的自供电技术，从振动能量收集，整流滤波，稳压电路，能量存储4个方面详细论述。

1 设计原理

利用由压电薄膜材料制成的悬臂梁型压电振子，将汽车轮胎振动能直接转化成电能，输出信号为交流电流，利用整流滤波稳压电路将输出的交流电变成直流电存储在超级电容里，超级电容对智能传感器进行供电，实现能量自给自足。直接式TPMS智能传感器自供电技术结构框图如图1所示。

2 电路设计

2.1 振动能量收集模块

振动能量收集模块工作原理基于压电式能量收集技术，利用压电材料的正压电效应实现。由于汽车轮胎的振动，使附着在轮胎内壁的压电振子受到机械应力，会在压电材料表面出现与应力成比例的电荷，形成交流电输出，从而将振动能量直接转化成电能。由于单片压电振子输出的电信号较小，可采用多片压电振子串联，增大输出信号量。采用PVDF压电薄膜材料制成的压电振子，具有重量轻，体积小、压电常数高、灵敏度高、结构简单，可附着于汽车轮胎内臂等性能特点，能够高效实现振动能向电能的能量转化。

2.2 整流滤波模块

由于压电式能量收集输出信号量为交流电，不能直接对TPMS智能传感器供电，因此需要相应电路进行整流滤波使输出信号量为直流电。采用桥式整流LC-π型滤波电路实现该功能，采用4个MOSFET体二级管构成单相桥式整流电路，实现整流，当U1工作在正半周时，体二极管D1，D3导通，在负载上得到正弦波正半周，当U1工作在负半周时，D2，D4导通，在负载上得到正弦波负半周，通过正半周和负半周合成得到单向脉动电压。在整流电路工作时，二极管导通都要克服直流压降，会引起功耗的损失，由于锗二极管正向压降较低，为0.3V，但相对压电悬臂梁结构输出功率仍较大，而MOSFET体二级管具有压降可忽略，功耗低的特点，可代替锗二级管工作实现系统功能优化，提高系统工作效率，降低系统工作功耗。

经过整流得到的单向脉动电压虽然没有交流成分变化，但其脉动较大，需要经过LC-π滤波电路，利用电容电压冲放电作用使输出电压趋于平滑，消除脉动，提高输出电压。桥式整流LC-π滤波电路如图2所示。

2.3 稳压电路模块

由于环境温度变化，或者由于智能传感器电流的变化和输入电压的变化，对能量采集、能量存储以及传感器正常工作产生不利的影响，利用三端集成稳压器7810进行稳压，输出电压一般可连续调节，稳压性能好，效率高。

2.4 能量存储模块

采用超级电容进行能量存储，超级电容是一种无源器件，不但具有电池的储能特性，并且可以重复使用，功率密度高，寿命长，使用温度范围宽，介于电池和普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电等优异特性。超级电容放电时利用移动导体间的电子释放电流，从而为直接式TPMS智能传感器提供电源。

3 结语

本文论述了基于压电振子能量收集，经过整流滤波稳压电路，实现超级电容能量存储的自供电技术，实现了直接式TPMS智能传感器的自供电，解决了传统TPMS智能传感器工作周期短，电池更换不方便等问题，有利于提高TPMS系统工作效率，保障行车安全，具有很大的应用前景。

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[责任编辑：田吉捷]endprint