胎内自供能传感系统和方法与流程

本发明涉及物联网与智能交通传感器供电，尤其涉及一种胎内自供能传感系统和方法。

背景技术：

1、随着物联网、智慧交通及自动驾驶技术的持续演进，智能轮胎逐渐成为车辆状态感知与道路信息获取的重要前端节点。通过在轮胎内部集成压力、温度、磨损以及加速度等多类型传感器，并结合无线通信模块，智能轮胎能够实时反馈轮胎运行状态及路面信息，对于提升行驶安全性、优化整车控制策略具有重要意义。然而，受限于轮胎旋转结构及密封环境，传统供能方式难以满足其长期稳定工作的需求。现有依赖化学电池的供电方案不仅存在寿命有限、维护成本高的问题，同时在高温、高离心力环境下可靠性较差，且存在潜在环境污染风险。因此，发展无需外部供电的自供能技术体系，已成为智能轮胎领域亟需突破的关键方向。

2、摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，teng）作为近年来兴起的一种新型微纳能量转换技术，能够通过耦合摩擦起电效应与静电感应效应，将环境中的机械能直接转化为电能，在低频、不规则机械激励条件下展现出优异的能量捕获能力。在智能轮胎应用中，teng输出的电能需经过能量管理电路进行调制、存储与稳压处理，方可驱动低功耗电子器件。然而，现有能量管理方法大多基于固定阈值或固定拓扑结构设计，其能量提取过程缺乏对输入激励变化的响应能力。当车辆处于低速状态时，teng输出频率较低，能量积累缓慢，若过早触发能量释放将导致输出功率不足；而在高速状态下，若仍采用相同的触发机制，则可能出现能量滞留或转换效率下降的问题。因此，现有能量管理方法缺乏对不同运行状态下能量释放时机的动态调节能力，导致能量提取效率低，难以满足智能轮胎宽速域工况下的稳定供电需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种胎内自供能传感系统，用以解决现有能量管理方法缺乏对不同运行状态下能量释放时机的动态调节能力、导致能量提取效率低的技术问题，实现在不同激励频率条件下高效能量提取与稳定输出。

2、本发明提供一种胎内自供能传感系统，包括：

3、摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机的输出端连接整流单元的输入端，所述摩擦纳米发电机用于将轮胎滚动过程中的机械能转换为原始交流脉冲电能；

4、整流单元，所述整流单元的第一路输出端连接储能单元的输入端，第二路输出端连接自适应触发单元的控制端，所述整流单元用于将所述原始交流脉冲电能整流为直流脉冲电能；

5、储能单元，所述储能单元的输出端连接所述自适应触发单元的功率输入端，所述储能单元用于存储所述直流脉冲电能；

6、自适应触发单元，所述自适应触发单元的功率输出端连接能量管理单元的输入端，所述自适应触发单元用于对所述整流单元输出的直流脉冲电能进行时间域延迟响应得到随直流脉冲频率变化的动态电压信号，并在所述动态电压信号达到导通阈值时将所述储能单元积累的电能输出至能量管理单元；

7、能量管理单元，所述能量管理单元用于对接收到的电能进行电压转换，得到用于驱动胎内负载的直流电。

8、在一实施例中，所述自适应触发单元包括延迟触发单元和可控硅触发单元；

9、所述延迟触发单元的输入端连接所述整流单元的第二路输出端，所述延迟触发单元的输出端连接所述可控硅触发单元的控制端，所述可控硅触发单元的功率输入端连接所述储能单元的输出端，所述可控硅触发单元的功率输出端连接所述能量管理单元的输入端；

10、所述延迟触发单元用于对接收到的直流脉冲电能进行时间域延迟响应并输出随直流脉冲频率变化的动态电压信号；

11、所述可控硅触发单元用于在所述动态电压信号达到导通阈值时闭合，将所述储能单元积累的电能传递至所述能量管理单元。

12、在一实施例中，所述延迟触发单元包括第一电阻和第一电容；

13、所述第一电阻的第一端连接所述整流单元的第二路输出端，所述第一电阻的第二端连接所述第一电容的第一端和所述可控硅触发单元的控制端，所述电容的第二端接地。

14、在一实施例中，所述可控硅触发单元包括稳压二极管和可控硅；

15、所述稳压二极管的阴极连接所述延迟触发单元的输出端，所述稳压二极管的阳极连接所述可控硅的门极，所述可控硅的阳极连接所述储能单元的输出端，所述可控硅的阴极连接所述能量管理单元的输入端。

16、在一实施例中，所述系统还包括谐振能量转移单元；

17、所述谐振能量转移单元连接在所述自适应触发单元的功率输出端与所述能量管理单元的输入端之间；

18、所述谐振能量转移单元用于对所述自适应触发单元输出的电能进行平滑处理和暂态存储，并输出至所述能量管理单元。

19、在一实施例中，所述谐振能量转移单元包括第一电感、续流二极管和第二电容；

20、所述第一电感的第一端连接所述自适应触发单元的功率输出端，所述第一电感的第二端连接所述第二电容的第一端和所述续流二极管的阴极，所述第二电容的第二端接地，所述续流二极管的阳极接地，

21、所述第二电容的第一端还连接所述能量管理单元的输入端。

22、在一实施例中，所述能量管理单元的输出端还连接有超级电容阵；

23、所述超级电容阵用于存储所述能量管理单元输出的电能，并向所述胎内负载供电。

24、在一实施例中，所述摩擦纳米发电机包括第一摩擦层、第二摩擦层、第一铜电极、第二铜电极和柔性基底；

25、所述第一摩擦层与所述第二摩擦层面对面设置；

26、所述第一铜电极贴附于所述第一摩擦层背离所述第二摩擦层的一面，所述第二铜电极贴附于所述第二摩擦层背离所述第一摩擦层的一面；

27、所述第一铜电极和所述第二铜电极的表面均覆盖有绝缘胶套；

28、所述第一摩擦层、所述第二摩擦层、所述第一铜电极、所述第二铜电极和所述绝缘胶套均封装于所述柔性基底内部。

29、在一实施例中，所述能量管理单元内置有欠压锁定模块；

30、所述欠压锁定模块用于在所述储能单元积累的电能低于设定阈值时使所述能量管理单元保持关闭状态，在所述储能单元积累的电能达到设定阈值时使所述能量管理单元启动输出。

31、本发明还提供一种胎内自供能传感方法，采用所述的胎内自供能传感系统，所述方法包括：

32、通过摩擦纳米发电机将轮胎滚动过程中的机械能转换为原始交流脉冲电能；

33、通过整流单元将所述原始交流脉冲电能整流为直流脉冲电能；

34、通过储能单元存储所述直流脉冲电能，通过自适应触发单元对所述整流单元输出的直流脉冲电能进行时间域延迟响应得到随直流脉冲频率变化的动态电压信号，并在所述动态电压信号达到导通阈值时将所述储能单元积累的电能输出至能量管理单元；

35、通过所述能量管理单元对接收到的电能进行电压转换，得到用于驱动胎内负载的直流电。

36、本发明提供的胎内自供能传感系统和方法，通过在整流单元输出端引入自适应触发单元，自适应触发单元对整流后输出的直流脉冲电能进行时间域延迟响应，产生一个随直流脉冲频率变化的动态电压信号，当动态电压信号达到导通阈值时自适应触发单元闭合，将储能单元积累的电能输出至能量管理单元，当轮胎处于低速运行状态时，直流脉冲频率较低，时间域延迟响应使得动态电压信号上升缓慢，自适应触发单元的闭合时刻被延迟，储能单元得以持续充电积累更多电能后再释放；当轮胎处于高速运行状态时，直流脉冲频率升高，时间域延迟响应使得动态电压信号快速上升，自适应触发单元的闭合时刻提前，储能单元以更高频率释放电能，从而实现对不同运行状态下能量释放时机的动态调节能力，避免了低速时过早触发导致输出功率不足和高速时能量滞留，有效提升了不同频率条件下的能量提取效率。由于能量释放时机与轮胎转速实时匹配，储能单元始终在最优时刻释放电能，既保证了低速时的单次释放能量充足，又保证了高速时的释放频率与直流脉冲频率相适应，从而实现在不同激励频率条件下高效能量提取与稳定输出。