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InWheelSense™: 智能感测轮胎与路面的接触

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,一些汽车领域更早地被作为目标,功能比其他领域更强。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。除了这个系统外,目前没有其他广泛的电子系统进入轮胎车轮领域……如果排除军方使用的自充气轮胎系统、一些商用车辆和少数高端车辆。 但它们通常使用TPMS作为整个系统的一部分。

背景

纵观汽车的历史,电子产品的实装已经在重大创新里程碑中领先。自19世纪中期以来,电动“车辆”本身就一直存在,而电动汽车在那个世纪末出现,已经过去了整整一个世纪。最早的电子系统之一是30年代的汽车无线电(尽管有真空管),其次是50年代的电子点火系统、70年代早期的传输控制单元(TCU)、自适应巡航控制(ACC)、电子点火、燃油喷射和燃油泵,以及70年代中期和以后的基于处理器的系统。重要的是电子系统现在所占比率超过平均车辆费用的30%。

TPMS现在很普遍,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。节约成本是通过以下方式实现的:通过提供实时轮胎充气信息减少低燃油经济性、处理不良的情况,并通过减少与充气不足/充气过多的轮胎相关的轮胎磨损来帮助延长轮胎有效寿命。如果任何一个轮胎没有充气到最佳的压力范围,TPMS会通过应答器线圈向驾驶员发出指示警告。这些系统由一个不可充电、单独使用的车载电池供电。

然而,“橡胶与道路相遇”的地方可以提供比轮胎压力更多的信息。但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。 这就是我们的故事开始的地方。

InWheelSense™简介和技术概要

想象一下一种允许一个人轻松、准确地测量多个参数的系统技术。这个系统自给自足,包罗万象,有能力允许外部思考者将他们的“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。什么类型的参数?除了轮胎压力,可能还有:轮胎壁温、路面条件、车轮对准条件等等。现在想象一下所有这些都可以通过现有的单一系统解决方案来实现。

InWheelSense™刚刚被引入市场,是一种多方面的技术,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的分析结果。分析工具支持高性能驾驶、无人驾驶车、安全、舒适和节能。

标准平台自带一套预选传感器。它们被选择的原因只是为了使用InWheelSense™和能够提高性能、司机安全及舒适性的预选传感器来突出一些可能的功能和解决方案。然而,这个系统是灵活的,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和/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

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时,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。

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模块的已安装InWheelSense™平台

图2:每个18“轮胎上有5个EH模块的已安装InWheelSense™平台

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。这样会避免不准确的数据,并通过减少机械应力来增加传感器的寿命,

图3:InWheelSense™控制模块” wheel

图3:InWheelSense™控制模块

电力调节接口

IWCM的电力调节接口执行系统电压整流、降压电平控制和平滑EH模块产生的交流电(AC)压波形。该接口还直接向负载提供经过调整的电力,目前正在开发支持向电池本身储存电力(包括电池充电器电路)和系统电力监控。目前,车载电池通过一个外部USB电源充电。标准IWCM印刷电路板组件如图4所示。

图4:带传感器的IWC主板

图4:带传感器的IWC主板

车载自定义电力管理集成电路(PMIC)将EH模块产生的AC电压转换为整流直流(DC)电压,并将电压电平降低到稳定的、无纹波的、经过调节的3.3伏特(V)。 有一个额外的车载电池,容量为2500mAh,为第三方组件提供电力,用于测试目的。未来计划使用经过调整的输出,实现直接电池充电。

传感器接口

IWCM里面也是大多数TDK和第三方传感器所在的地方。用于EH模块的ADC接口也在IWCM中。IWCM中的预置允许EH模块作为能量收集设备(EH Gen)或作为传感器(EH sense)发挥功能。这项设置可通过模板上的跳线选择。在将来的设计中,将很快可以使用软件控制选择。Eval Kit包括一些传感器,这些传感器被选中用于展示许多可预见的用途和数据需求,其中包括:

  • 多通道高灵敏度InWheelSense™EH传感器
  • 6轴惯性测量单元(IMU)
  • 气压传感器
  • 温度传感器

将来的开发活动包括:

  • 9轴IMU
  • 2通道麦克风
  • 超声波飞行时间(TOF)
  • 霍尔效应开关
  • 冲击/震动传感器(EH sense)
  • 制动器粉尘、轮胎微塑料颗粒传感器

上述现有传感器仅用于启用Eval Kit平台,用户将可灵活地根据需要添加或删除传感器。它们可以是TDK传感器,也可以是任何其他具有IoT平台能力的第三方传感器解决方案。Eval Kit提供了一个接口连接器,可以让带有自定义传感器的子基板很容易集成到IWCM上。

结合复杂的预测算法库,可以对Eval Kit传感器进行编程,以针对特定的用途,检测独特特点。然后这个特点可以用于将收集到的数据转换为性能指标的机器学习(ML)。其中包括实时速度、路面状况、滑移检测、胎面磨损、坑洞测绘、轮胎侧壁温度传感、松轮指示、行为建模、保险目的黑匣子指标、机器人出租车安全、燃油效率传感等。

InWheelSense™ Eval Kit与一个开放软件平台连接,该平台允许访问用于流式实时数据的软件库和相关工具。这还可以让可视化工具,如基于云端和电脑的“仪表盘”,用于以更友好的用户格式显示数据。最后,IWCM平台为边缘计算提供了一种途径。

连接性

目前,IWCM平台包括用于无线连接的低功耗蓝牙(BLE)。BLE系统允许连续的实时数据流。数据发送到车辆网关和/或主机,并进行处理,以提供司机友好的信息。处理后的数据可以显示在上述仪表板类型的显示器、指示器或警告灯通知上。针对映射或支持自动驾驶的用途将从实时数据流中获益。

添加远程(LoRa)的将来计划是一个低功耗广域网络(LPWAN)协议。LoRa是一种扩频技术,可以实现远距离传输(在非城市地区超过10km),而操作电池的设备功耗很低。长范围/低电力组合确实将数据传输速率限制到大约50kbps,并且取决于扩频因子(SF)。然而,最大数据速率不足以使当前InWheelSense™传感器的原始输出数据从终端设备传输到网关。因此,任何LoRa数据都需要被IWCM处理和/或限制其范围,边缘计算将允许原始数据仅由BLE传输或存储在车上供以后下载。根据全球范围的不同,有些工作频率在无需许可证的亚千兆赫射频频带内,如:433 MHz、868 MHz (欧洲)、915 MHz (澳大利亚和北美) and 923 MHz (亚洲)。

通过LoRa,系统中的传感器将是异步的,并且在可用的时候发送数据。数据从车轮(结束节点)中的传感器传输到网关,然后网关将数据包转发到集中式主机或处理器单元。LoRa芯片组还具有地理定位功能。

最后,InWheelSense™将很快集成一个车载“黑匣子”,该“黑匣子”将通过内存模块提供数据记录能力,用于可以保存某些预定时间的数据,或者用于连接到过网关一次时的“数据转储”。

安装InWheelSense™评估工具包系统

以上几节讨论了InWheelSense™平台的主要子系统,以及每个子系统执行什么功能。系统的结构如图5所示。

图5-系统硬件 a)单个模块 b)安装硬件 c)安装好的系统

图5-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5a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5b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5c显示了完全安装好的InWheelSense™系统。

由于Eval Kit的模块化方法,实装并不像人们想象的那样复杂或耗时。通过将IWCM安装在车轮的中心,并用凸耳螺母固定,简化了安装过程。安装评估套件的大致程序如下。有关程序详情,请向TDK咨询。

  • 1. 使用凸缘螺母/凸缘螺栓和凸缘螺栓夹紧紧固件组件在车轮上安装并进行验证
  • 2. 在车轮上安装硬件
  • 3. 在轮胎-车轮接口处将EH模块安装到车轮上
  • 4. 放置IWCM并将其固定在安装硬件上
  • 5. 将EH模块连接到IWCM主板上
  • 6. 在IWCM上放置保护硬件盖。
  • 7. 使用商业上可用的工具适当地平衡车轮
  • 8. 执行驱动测试以验证系统功能

这个过程如图6的延时图片所示。

图6:InWheelSense™平台的安装过程

图6:InWheelSense™平台的安装过程

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7所示。

图7:EH模块安装位置

图7:EH模块安装位置

如前所述,不需要特殊技能或特备设备来执行上述任何操作。标准安装硬件仅限于可支持的车轮尺寸。该硬件可以支持16英寸到21英寸的车轮直径。据了解,对于大型车辆,特别是特斯拉电动智能卡车Semi(大型钻机、18轮车等)、农用设备和公共汽车,安装硬件可能需要调整。

结论

如上所述,本文说明了TDK InWheelSense™技术平台:

  • 1) 是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
  • 4) 包括一个控制模块,该控制模块有电力调整和电力存储电路和组件、将数据发送到网关进行进一步处理时需要的传感器和通信设备
  • 5) 利用开放平台架构和带边缘计算的空中传送(OTA)
  • 6) 已拥有定制的预测算法、可视化“仪表盘”能力,正在开发用户将可使用的标准软件库和工具套装
  • 7) 通过BLE进行连接,将要开发LoRa
  • 8) 包括车载电力存储和推荐的车载数据存储
  • 9) 将传感器放置在车轮中心,减少对高离心力的暴露
  • 10) 安装硬件内置,不使用特殊工具就可以很容易地在大约不到2小时内安装完毕
  • 11) 可能提高安全和避免碰撞的性能,增加舒适性,并通过关键驾驶指标提供服务……从而使轮胎-车轮自动“旋转”成为可能,以InWheelSense™平台技术为中心,并允许将来进行传感器集成
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