DE102004031810B4

DE102004031810B4 - System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten

Info

Publication number: DE102004031810B4
Application number: DE102004031810.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schillinger Jakob; Dr. Lutz Rainer von; Joachim Hrabi; Wilfried Babutzka; Dietmar Huber; Adrian Cyllik
Original assignee: Continental AG; Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Continental AG; Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: DE102004031810A1; WO2006003052A1

Abstract

System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, wobei dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) an der Reifeninnenseite (21) dem Laufstreifen (2) gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Element (110) versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen (111, 112, 113) zugeordnet sind, die zur Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das auf einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist.
Fahrzeugreifen, insbesondere Kraftfahrzeugreifen, werden zunehmend mit Transpondern ausgerüstet, die Informationen über den Reifen beinhalten bzw. aufnehmen und an Auswerteeinrichtungen am oder im Fahrzeug senden. Darüber hinaus können Betriebsparameter von Fahrzeugreifen, wie Temperatur oder Luftdruck, sowie die Laufleistung über entsprechende Sendeeinrichtungen aus dem Fahrzeugreifen an Auswerteeinheiten gesendet werden.
Aus der DE 44 02 136 A1 ist ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter von Fahrzeugreifen bekannt, bei der im Fahrzeugreifen integriert eine Trägereinheit angeordnet ist, die eine Sensoreinheit mit mindestens einem Detektor und eine Auswerteelektronikeinheit trägt. Auf dem Trägerkörper ist ein zur Energieversorgung der Systemkomponenten dienendes piezoelektrisches Element angeordnet, das zugleich als Sensor für die Reifenumdrehungen dient. Ebenfalls ist der Trägerkörper mit einer Datenübertragungseinheit versehen. Das System ist in dem Reifengummi integriert, so dass aufgrund des piezoelektrischen Effektes aufgrund der sich im Reifengummi zyklisch ändernden hydrostatischen Druckspannung elektrische Energie gewonnen wird. Die US 4 246 567 A , US 2003/0062994 A1 , DE 698 06 566 T2 , und US 2003/0058118 A1 offenbaren weitere bekannte Systeme zur Energieerzeugung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes System bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das an einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, die einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, sieht vor, dass das piezoelektrische Element an der Reifeninnenseite dem Laufstreifen gegenüberliegend angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass sich im Betrieb eines Fahrzeugreifens hohe, sprunghafte Änderungen bei den Zentripetalkräften einstellen, wenn beim Abrollen des Reifens der Übergang zur Reifenaufstandsfläche stattfindet. Dabei finden sowohl beim Auftreffen auf den Fahrbelag als auch beim Verlassen des Fahrbelages sehr hohe Sprünge im Verlauf der Zentripetalbeschleunigungen statt. Durch die hohen Beschleunigungswechsel ist es möglich, einen sehr großen piezoelektrischen Effekt damit eine große Menge elektrischer Energie zu erzeugen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das piezoelektrische Element als ein Biegebalken, ein Piezostack mit aufeinandergestapelten piezoelektrischen Elementen oder als ein Torsionselement ausgebildet ist, das aufgrund der sprunghaften Wechsel im Verlauf der Zentripetalbeschleunigung elektrische Energie erzeugt. Durch die Drehbewegung des Reifens werden am Ort des piezoelektrischen Elementes Zentrifugal- und Zentripetalkräfte erzeugt. Diese wirken auf das Piezoelement je nach dessen Aufbau als Druck-, Biege-, Torsions- und/oder Scherkräfte, das elektrische Energie erzeugt. Die dominierende Kraftkomponente wird durch den gewählten mechanischen und elektrischen Aufbau des Piezoelementes bestimmt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das als Biegebalken ausgebildete piezoelektrische Element zwischen zwei Kontaktlücken gelagert ist, die wiederum über eine Gleichrichterschaltung mit einem Ladungsspeicher verbunden sind. Der Ladungsspeicher kann beispielsweise als Akku, Elko oder Kondensator, vorzugsweise Keramikkondensator, ausgebildet sein.
Bei einer Ausbildung als übereinandergestapelte Piezoelemente in Gestalt eines Piezostacks ist dieser auf einer elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet, um von dort die elektrische Energie zu dem Verbraucher oder dem elektrischen Ladungsspeicher zu leiten.
Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente oder das piezoelektrische Element auf einem Träger montiert, der auf oder in der Reifeninnenseite angeordnet ist. Auf diesem Träger sind auch die Gleichrichterschaltung und weitere Leitungselemente oder elektronische Bauteile angeordnet, die mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Anordnung auf einem Träger hat den Vorteil eines mechanischen Schutzes der darauf angeordneten Komponenten.
Ein weitergehender Schutz des piezoelektrischen Elementes und der elektronischen Komponenten wird durch eine Abdeckung gewährt, die bevorzugt auf dem Träger angeordnet ist und die elektronischen Komponenten umfasst. Die Abdeckung ist wahlweise als ein festes Gehäuse oder als ein Globtop ausgebildet, wobei die hochelastische Glob-top-Hülle das piezoelektrische Element gegen eine Fixierung durch eine Vergussmasse schützt.
Es ist vorgesehen, dass dem piezoelektrischen Element versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen zugeordnet sind, die zur Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind. Auf diese Art und Weise kann z. B. die Drehrichtung des Reifens damit die Bewegungsrichtung des Fahrzeugreifens und des Fahrzeuges erkannt werden.
Das System sieht weiterhin vor, dass ein Transponder oder eine Sendeeinrichtung zum Übermitteln gespeicherter oder ermittelter Daten bezüglich des Reifens mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist und von diesem mit Energie versorgt wird.
Zur Erhöhung des piezoelektrischen Effektes ist auf dem piezoelektrischen Element zumindest eine seismische Masse angeordnet, vorzugsweise bildet der Transponder diese seismische Masse.
Eine Befestigung des piezoelektrischen Elementes an der Reifeninnenseite ist über ein Band oder einen Gurt ausgeführt, eine Vergussmasse schützt den Transponder vor Beschädigungen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren bezeichnen gleiche Komponenten. Es zeigen:
1 – eine schematische Darstellung eines Reifens;
2 – einen Verlauf einer drehwinkelabhängigen Zentrifugalbeschleunigung über eine komplette Reifenumdrehung;
3 – eine erste Ausgestaltung eines Piezogenerators in einem Gehäuse;
4 – einen Piezogenerator gemäß 3 mit einem Globtop;
5 – eine Variante eines Piezogenerators mit Globtop;
6 – einen Piezogenerator gemäß 5 mit elastischer Kontaktschicht;
7 – eine Einzeldarstellung einer Kontaktschicht gemäß 6;
8 – eine schematische Ansicht eines Sensortransponders; sowie
9 – eine montierte Sensortransponderanordnung.
In der 1 ist ein auf einer Felge 3 montierter Reifen gezeigt, an dessen äußerem Umfang ein Laufstreifen 2 angeordnet ist. Auf der Reifeninnenseite, dem Laufstreifen 2 gegenüber, ist ein Sensortransponder 1 mit einem piezoelektrischen Element zur Messung reifenspezifischer Kennwerte befestigt. Aufgrund der Radlast ist der auf einer Fahrbahn 5 abrollende Reifen im Bereich einer Reifenaufstandsfläche 6 abgeflacht, und zwar um die Eindrückstrecke 4.
In der 2 ist über den Drehwinkel β des Reifens der winkelabhängige Verlauf einer Zentripetalbeschleunigung a gezeigt, abhängig von dem Ort, an dem sich das piezoelektrische Element in dem Sensortransponder 1 befindet. Ist das piezoelektrische Element an der Felge 3 angeordnet, stellt sich bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit ein konstanter Zentripetalbeschleunigungsverlauf 8 ein. Im Gegensatz zu einem Anbringungsort an der Felge beschreibt der im Bereich des Laufstreifens angebrachte Sensortransponder nur zum Teil eine Kreisbahn, im Bereich der Bodenaufstandsfläche bewegt er sich auf einer Geraden. Diese Tatsache führt zu Beschleunigungsänderungen, über die der piezoelektrische Effekt ausgenutzt werden kann. Im Bereich der Reifenaufstandsfläche 6 wirkt keine Zentripetalbeschleunigung a auf das Piezoelement in einem Sensortransponder 1. Anhand der Beschleunigungsspitzen im Einlaufbereich E und Auslaufbereich A bzw. dem Verringern der Beschleunigung auf Null kann eine Reifendrehzahlerkennung durchgeführt werden. Die Anordnung des Piezoelementes an der Reifeninnenseite hat eine hohe Beschleunigungsänderung des Piezoelementes zur Folge, da die Zentripetalbeschleunigung a größer wird, je weiter entfernt das Piezoelement von dem Drehpunkt ist.
Die 3 zeigt einen möglichen Aufbau eines Piezogenerators an einer Reifeninnenseite, bei dem auf einem Träger 9, vorzugsweise einer Trägerplatte, ein piezoelektrischer Biegebalken 11 zwischen zwei Kontaktblöcken 10 montiert sind. Die Kontaktblöcke 10 sind elektrisch leitend und verbinden den piezoelektrischen Biegebalken 11 mit einer Schaltung zur Richtungserkennung, die in der 7 dargestellt ist. Von dort aus führen Kabel zu einem Ladungsspeicher.
Um die Bewegungsfreiheit des Biegebalkens 11 zu gewährleisten, ist ein Gehäuse 12 als Haube darüber angeordnet, während ein unelastischer Verguss 13 die Gesamtanordnung an der Reifeninnenseite mechanisch schütz. Die Befestigung des Piezogenerators erfolgt über einen Gurt oder ein Band an die Reifeninnenseite bzw. wird an die Reifeninnenseite geklebt oder vulkanisiert.
Durch die Beschleunigungskräfte, wie sie in der 2 dargestellt sind, werden die Enden des Biegebalkens 11 in Richtung der Doppelpfeile bewegt und verformen den Biegebalken 11. Dadurch wird elektrische Energie aufgrund des piezoelektrischen Effektes erzeugt. Der piezoelektrische Biegealken der 3 und 4 kann als Singlelayer, Multilayer oder als Piezo-Metall-Verbund ausgeführt werden.
In der 4 ist eine Variante des Piezogenerators 1 dargestellt, die in der Funktionsweise und im Aufbau sich von der 3 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer starren Haube 12 ein hochelastischer Globtop 16 den Biegebalken 11 vor einer Blockierung durch eine starre Vergussmasse 13 schützt. Aufgrund der Elastizität der Globtop-Hülle ist es möglich, dass sich der Biegebalken 11 aufgrund der Beschleunigungskräfte, die montagebedingt beim Übergang in den und aus den Bereich der Reifenaufstandsfläche 6 auf den Sensortransponder 1 wirken, verformen kann.
Eine alternative Ausgestaltung des piezoelektrischen Elementes ist in der 5 dargestellt, bei der statt eines Biegebalkens 11 gemäß der 3 und 4 ein mehrlagiger als Piezoelement ausgebildeter Axialsensor 110 über eine elektrisch leitfähige Schicht 14 auf dem Träger 9 montiert ist. Die Montage kann über Kleben, Löten oder Leihpressen erfolgen. Zusätzlich ist eine seismische Masse 15 auf dem als Piezoelement ausgebildeten Axialsensor 110 aufgebracht, um den piezoelektrischen Effekt zu erhöhen. Umgeben ist der Sensortransponder 1 wieder von einem Globtop 16, der eine Trennung von einer festen Vergussmasse 13 bewirkt und eine Bewegung des Piezoelementes ermöglicht.
Eine alternative Ausgestaltung des Piezogenerators 1 ist in der 6 dargestellt, bei der die elastische Kontaktschicht 14, wie in der 7 gezeigt, als eine facettenförmige Kontaktschicht ausgebildet ist, die zur Richtungserkennung dient. Dabei sind verdrahtungsseitige Kontaktierflächen 111, 112, 113 des Piezoelementes 110 in Facettenform ausgeführt, wodurch es möglich ist, durch Differenzbildungen über die Padspannungen zusätzlich die Quer- und Längsbeschleunigungen zu erkennen. Auch ist zu erkennen, dass drei der Kontaktflächen 111, 112, 113, 114 mit einer Differenzierschaltung verbunden sind.
In der 8 ist der grundsätzliche Aufbau eines Sensortransponders 1 mit einer Trägerplatte 9 gezeigt, auf der ein piezoelektrisches Element 110 angeordnet ist, auf dem eine seismische Masse 15 positioniert ist. Damit eine Beweglichkeit aufgrund der Zentripetalbeschleunigungen ermöglicht ist, ist die Anordnung aus dem piezoelektrischen Element 110 und seismischer Masse 15 über ein Gehäuse 12 oder ein Globtop geschützt. Ein Kondensator 17 dient als Ladungsspeicher, ebenfalls ist eine ECU 18 auf der Trägerplatte 9 angeordnet, verbunden mit über einer Übertragungseinrichtung 19, beispielsweise einem Sender. Zusätzlich können Sensoren für Druck und Temperatur auf der Trägerplatte 9 montiert und von der ECU 18 abgefragt werden.
Durch den grundsätzlichen Aufbau und die Anordnung eines Sensortransponders 1 an einer Reifeninnenseite in der Äquatorialebene des Reifens wird ein Piezogenerator bereitgestellt, der zur Aufladung eines elektrischen Ladungsspeichers 17 oder als zusätzliche Energiequelle für batterie- oder hochfrequenzgespeiste Transpondersysteme dient. Der Energiegenerator nutzt die Beschleunigung, die auf ein an einen Reifen angebrachten Transpondermodul während der Raddrehung einwirken. Ab einer bestimmten Ladespannung kann die Messung über einen Sensor und nachfolgend die Übertragung über den Transponder gestartet werden. Eine Triggerung kann sowohl asynchron bei Erreichen einer bestimmten Ladung oder synchron auf externe Anforderung erfolgen. Als Piezowerkstoff sind Quarz, Piezokeramik oder Piezofolien geeignet, die bei einer mehrlagigen Stapelung als Piezostack 110 als reine Axialkraftsensoren eingesetzt werden können. Alternativ ist die Ausbildung des Piezoelementes als ein Biegebalken 11 vorgesehen. Ebenfalls ist es möglich, Scherkräfte oder Torsionskräfte durch eine entsprechende Anordnung der piezoelektrischen Elemente auszunutzen.
Insbesondere beim Übergang in und aus der Reifenaufstandsfläche wirken hohe Änderungen der Beschleunigungskräfte auf das piezoelektrische Element, die zu Ladungsverschiebungen führen. Die mit dem piezoelektrischen Element verbundene Gleichrichterschaltung polarisiert diese Ladung und speichert sie in einem Ladungsmengenspeicher, beispielsweise Kondensator 17. Der Kondensator 17, die Schaltung 18 und die Transponderelektronik 19 sind in einer stammen Vergussmasse 13 oder auch einem Mould geschützt, während eine elastische Globtop-Hülle 16 oder ein Gehäuse 12 das piezoelektrische Element schützen und eine Beweglichkeit ermöglichen.
Die durch das piezoelektrische Element erzeugte Energie kann über leistungsstarke Kondensatoren gesammelt werden. Diese Energie wird zur Versorgung der ECU 18, der HF-Strecke und der Sensorelektronik verwendet. Desweiteren kann das piezoelektrische Element als Energiegenerator zum Betrieb einer Mikropumpe dienen, die Diffusionsverluste in einem Reifen ausgleicht, ohne dass zusätzliche Energie zugeführt werden muss. Der Piezogenerator ermöglicht eine Einsparung von Elektronik im Radkasten sowie höhere Sendereichweiten, was zu einer Verringerung der Anzahl der Sendeantennen führt. Ebenfalls ist es möglich, aufgrund der hohen Zentripetalbeschleunigungen relativ kleine Generatoren mit piezoelektrischen Elementen zu verwenden.
In der 9 ist eine montierte Sensortransponderanordnung gezeigt, bei der ein piezoelektrisches Element 11 an einem Verdrahtungsträger angeordnet ist. Zusätzlich befinden sich auf dem Träger 9 eine elektrische Beschaltung 18 des Sensortransponders und gegebenenfalls ein zusätzlicher Beschleunigungssensor 30. Das Piezoelement 11 ist über eine Kontaktierschicht 25 mit dem Träger 9 verbunden. Die mechanische Anbindung des Piezoelementes 11 an die Reifeninnenseite 21 erfolgt über eine elastische Koppelschicht 22. Diese elastische Koppelschicht 22 ermöglicht es, dass sich das piezoelektrische Element 11 bei einer Beschleunigungsänderung bewegt und elektrische Energie erzeugt. Der Verdrahtungsträger 9 ist partiell mit einem Moldmaterial 13' umspritzt. Die elektrische Anbindung des Verdrahtungsträgers 9 erfolgt über Leadframe 23, der wiederum mit Steckerpins 20 verbunden ist. Zusätzlich erfolgt eine mechanische Fixierung des durch das Moldmaterial 13' geschützten Sensortransponders innerhalb des Gehäuses 12 über eine Vergussmasse 13. Das Gehäuse 12 wird über eine umlaufende Verbindungsstelle 24, beispielsweise als Gurt oder Band ausgebildet, mit der Reifeninnenseite 21 verbunden. Das Gehäuse 12 kann in der Reifeninnenseite 21 auch einvulkanisiert werden. Die auf das piezoelektrische Element einwirkenden Kräfte können Axial-, Biege-, Scher- oder Torsionskräfte sein. Eine Ankopplung des piezoelektrischen Elementes 11 an den Reifen 1 erfolgt über die elastische Koppelschicht 22, die auch als visko-elastische Klebeschicht ausgebildet sein kann.

Claims

System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten mit einem piezoelektrischen Element, das in einem Fahrzeugluftreifen angeordnet ist, der einen an der Außenseite angeordneten Laufstreifen aufweist, wobei dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) an der Reifeninnenseite (21) dem Laufstreifen (2) gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Element (110) versetzt zueinander angeordnete Kontaktflächen (111, 112, 113) zugeordnet sind, die zur Ermittlung von Quer- oder Längsbeschleunigung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1) als ein Biegebalken (11), Piezostack (110) oder als Torsionselement ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (11) zwischen Kontaktblöcken (10) gelagert ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezostack (110) auf einer elektrisch leitfähigen Schicht (14) angeordnet ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) auf einem Träger (9) montiert ist, der an oder in der Reifeninnenseite (21) angeordnet ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger (9) und der Reifeninnenseite eine elastische Koppelschicht (22) angeordnet ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) mit einer Abdeckung (12, 16) versehen ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (12, 16) als Gehäuse oder als Globtop ausgebildet ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder mit dem piezoelektrischen Element (1, 11, 110) verbunden ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem piezoelektrischen Element (1, 11, 110) zumindest eine seismische Masse (15) angeordnet ist.
System nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder die seismische Masse (15) bildet.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (1, 11, 110) in einer Vergussmasse (13) eingebettet ist.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (11, 110) Bestandteil eines Sensortransponders (1) ist.