可智能感测轮胎与路面接触的InWheelSense™

前言

随着21世纪所有机动车辆的电子进化，用于安全、舒适、方便和娱乐目的的电子系统一直在发展。但尽管现有的电子系统多种多样，直到20世纪80年代，电子系统才渗透到汽车车轮环境中。轮胎压力监测系统(TPMS)最早是在欧洲市场兴起的，并从那里扩散到全球范围。除了TPMS系统外，目前没有其他广泛的电子系统进入到轮胎/车轮领域。若一定要举例的话，则是有军方和一些商用车辆以及极少数高端车辆中使用的自充气轮胎系统，但它们使用的核心系统技术也是TPMS。

TPMS现已很普遍，部分原因是美国通过了2000年TREAD法案，它们的目标是安全、避免事故和节省成本。而为了实装更多的传感器、支持电子产品，需要更高功率的车载轮胎/车轮源。这种环境有一个大多数其他车辆系统都没有的独特问题，例如，如何为旋转设备提供足够的电力，并仍然保持轻重量、小体积、高成本效率且不违反一到两个以上的物理定律。这就是我们的InWheelSense™产品故事开始的地方。

InWheelSense™简介和技术概要

想象一下有一项系统技术，它可让您轻松而准确地测量多个参数。这个系统自给自足，包罗万象，有能力允许各位创新主义者将他们的“未来主义”思想融入轮胎本身，并允许系统随着新用途的出现而扩展。它能提供的参数类型除了有轮胎压力，可能还有：轮胎壁温、路面条件、车轮对准条件等等。所有这些工作都仅需通过一个系统解决方案来实现，它就是InWheelSense™。

InWheelSense™刚刚被引入市场，是一种多面化的技术，由三个主要的子系统组成：电力、传感和连接性。这种创新的压电传感器平台提供直接向车辆和/或连接到云端的设备在车轮上获得的数据分析结果。此分析结果可应用在高性能驾驶、无人驾驶、安全、舒适和节能方面。

标准平台自带一套预选传感器，它们是InWheelSense™可以提供的众多功能和解决方案中的一小部分，可以显着提高驾驶性能，驾驶员安全性和舒适性。同时此系统又是灵活的，允许用户选择和集成他/她选择的传感器，然后进行调整，优化电力系统，以确保系统自己为更多的传感器或更多需要电力的传感器产生足够的电力。

InWheelSense™能量收集（EH）模块

图1：TDK InWheelSense™ EH模块

电力是由能量收集模块产生的，该模块含有锆钛酸铅(PZT)陶瓷元件，这种元件被归类为压电（和铁电）材料。当电流施加到这种材料上并在两个表面之间产生电场（电压增量）时，会导致材料的机械变形。这实际被称为“逆压电效应”。相反的情况也是如此，例如，通过施加机械力或材料的运动，可以产生小电荷（然后产生电流），称为“直接压电效应”。InWheelSense™将后一种现象用于发电，使用该元件时，也用作实际的传感元件。产生的电流量取决于元件的大小和形状、力的方向和元件的机械偏转量，这使得独特的轮上系统能够产生足够的电力来自给自足。

尽管PZT确实含有一定水平的铅，并且被广泛运用到现代车辆上所使用的许多传感器中，但根据欧盟对危险物质的限制(RoHS)，它被豁免用于商业用途[7(C)-IV]，目前也没有豁免终止的时间限制。

这种EH模块在直径16“到21”的车轮尺寸范围内工作，它在轮胎-车轮接口处安装到车轮上，但不影响气密密封的完整性。这种安装方案确保了最佳的发电效果，并在每个安装在车轮上的EH模块的每一次旋转中重复。例如，当在18“直径的车轮上以65mph的速度行驶时，每次旋转每个模块将产生约1mW的电力。如果需要更多的电力，平台允许通过添加多个EH模块来实现电力的可扩展性。图2显示了一个完整安装的InWheelSense™系统的示例。

图2：每个18“轮胎上有5个EH模块的InWheelSense™平台安装实例

然后，产生的能量经过一些电力调节后可以立即使用，或可以被收集起来并储存在车载电池或双电层电容器(EDLC)超级电容器中。这两种储能装置之间的区别是电池，例如，锂离子电池(LiB)会储存更多的能量和更长的时间，但也需要更长的时间充电，而ELDC能够非常快地充电，并更快地提供能量。标准5 EH模块配置的InWheelSense™系统可以提供几毫瓦(mW)的连续电力或在突发模式下提供约30毫秒的90 mW电力。典型的传感器有这种突发模式的需要，它提供间歇性的功能，包括睡眠模式和数据传输模式，并在大部分时间休眠，然后唤醒，进行测量和发送数据。

正在申请专利的EH模块的发电利用了能量收集方法，这种方法在每一次轮胎-车轮旋转时产生，并对旋转能量到电力的转换进行优化，提供比其他即将上市的解决方案更高的电力输出。EH模块利用旋转能量，而大多数其他系统利用线性力。EH模块是TDK将生产的产品。

整个电力系统足够灵活，允许用户根据需要分配产生的电力，所需的总电力将最终取决于用户实装的传感电路和传感器。传感功能是InWheelSense™控制模块(IWCM)的一部分，将在下面讨论。

The InWheelSense™控制模块(IWCM)

IWCM是InWheelSense™评估工具包(Eval Kit)平台的核心和灵魂。它是专门开发的，特点是只有几个解决方案，这些解决方案现在可以与支持轮上和轮外的指标的轮上传感器一起使用，而传感器可以为这些指标提供高精确度的数据。轮外指标指的是车门关闭、齿轮啮合等。这些都将由用户定义，但关键点是EH模块发电将提供所需的电力来使用更多的传感器，而不仅仅是当前的TPMS或轮胎应变计。

IWCM被牢固地安装到一个夹在标准车轮凸缘螺母上的支持板上。为了减少受IWCM内的其他传感器影响的重力(G)，防止这些敏感设备“饱和”，这是首选的安装位置。这样可避免产生不准确的数据，并可通过减少机械应力来增加传感器的寿命。

图3：InWheelSense™控制模块

安装InWheelSense™评估工具包系统

InWheelSense™系统的结构如图4所示。

图4-系统硬件
a)单个模块 b)安装硬件 c)安装好的系统

从左到右，图4a显示Eval Kit的模块，中心有IWCM、中心周围以72o间隔排列EH模块。图4b显示了固定每个EH模块的角度位置并提供在轮胎-车轮接口处安装到车轮上的安装功能的安装硬件。最终，安装硬件将需要根据使用的EH模块的数量和要安装到其上的车轮大小来选择。最后，图4c显示了完全安装好的InWheelSense™系统。

EH模块的安装和位置是发电的关键。如前所述，该模块位于轮胎-车轮接口处的车轮外缘，不得干扰轮胎密封。正确的定位如图5所示。

图5：EH模块安装位置

以上内容简约介绍了TDK InWheelSense™技术平台，它是：
1) 一种自给自足的轮上模块化技术，能够测量和检测轮上和轮外的多个车辆指标
2) 包含一个独特的能量收集模块，它通过压电陶瓷元件产生车载电力，这些相同的元件可以用作高敏感度传感器
3) 有一套标准而高度灵活的传感器，允许客户开发的扩展板，从而容易地通过接口连接器集成

来源：TDK中国