胎压传感器是一种低功耗的无线传感器^[1]，其安装位置为高速转动的汽车轮胎内部，经常处在一种高温、高压而且快速转动的工况中，现场环境无法提供安全稳定的外部电源。市场上的胎压监测系统普遍使用纽扣电池作为胎压传感器的能量源，在电源耗尽之前需要更换电池，不仅更换起来极为麻烦，而且废旧的电池会对环境造成污染。

传感器无源化指的是不需要外部电源或者电池供电，依靠传感器自身获取自然或环境中能量使传感器正常工作^[2]。胎压传感器的无源化可以从根本上解决供电问题，而且实现胎压传感器的无源化具备以下基础：

(1)随着工艺技术的不断提升，胎压传感器的集成度越来越高，需要的外围电路越来越简单，大大地降低了胎压传感器的功耗，比较常见的型号如英飞凌的SP37、恩智浦的FXTH87等。

(2)近几年来针对环境能量的收集技术的研究越来越受到重视，多种形式的能量收集方式被提出，多种高效的能量收集结构被设计出来^[3]。

(3)集成电路技术在能量收集电路中的应用，使得能量管理电路的功耗更低，效率更高，多种电能管理芯片被开发出来。

能量收集方式主要根据传感器的工作环境和工况决定，胎压传感器在剧烈运动的工况下工作，并处在一种高温、高压的环境中，适合的收集方式有热电式、压电式和电磁式。国内已经有多个大学对无线无源的胎压监测系统（TPMS）进行了研究并取得了一定的成果。吉林大学设计了压电式能量收集装置，利用收集的能量成功地让胎压传感器正常工作了一段时间^[4-5]。南京航空航天大学设计了一种电磁式无线无源胎压监测系统，成功实现了胎压传感器的供电^[6]。

压电式和电磁式都是收集汽车轮胎上的振动能量，能量收集装置的振动部件受到疲劳寿命等因素的影响，其可靠性不高，实用性不强。热电式能量收集方式收集的是温差能量，不存在任何的移动部件，结构简单可靠，不需要维护，而且只需要提供足够的热源就输出电能，相对于其他形式的收集方式具有很大的优势。

1 能量收集结构

1.1 发电器件的结构

温差发电器件原理基于塞贝克效应，可以直接将温差能量转化为电能^[7]。图1所示为热电器件结构示意图，通常由数百个N型和P型材料的柱体结构组成，从电路上看它们通过串联方式增加温差电势，而在传热方面通过并联连接增加热能的使用效率。当器件两端存在温差时，热场驱动载流子运动并在回路中形成温差电流，以此来输出功率。

1.2 热电器件的理论分析

热电器件的能量输出功率和转化效率通常表示为：

无量纲值ZT_M通常用来衡量热电材料性能的优劣。目前在100 ℃以内的热电发电应用中，已经商业化使用的高效率热电材料为碲化铋，其ZT_M在0.6~0.7之间^[8]。至今为止已发表的文章中ZT_M最高达到了2.4^[10]，如果能够普及和应用就能大大增强温差发电的能力。

从式(1)和式(2)可以看出，热电器件的输出功率主要由粒子对数n和温差ΔT决定，转化效率主要与材料特性有关。所以，选择高ZT_M值的热电材料并且增加粒子对数可以提升热电器件的输出功率。

1.3 热电器件的输出特性分析

图2所示为实验测得的轮胎内外温差曲线，测试地点为北京，时间为2018年5月，室外平均温度25 ℃，平均时速30 km/h。由实验数据可知，随着汽车行驶时间的增加，轮胎内外的温差不断升高并在50 min后超过10 ℃，实验证明行驶的轮胎可以为热电器件提供较高的热流，并提供电能输出。

图3所示为热电器件的输出特性，本实验采用型号为TEG1-241-1.4-1.2的热电器件，每一个器件由241对热电粒子组成，材料为碲化铋。器件的输出电压为毫伏级别，输出功率为微瓦级别，实验数据可知在10 ℃的温差范围下，单片热电器件的开路电压达到了100 mV，且输出电压随着温差不断升高而增大。