DE102004031810B4 - System zur Erzeugung elektrischer Energie für elektronische Komponenten - Google Patents
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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. DieUS 4 246 567 A ,US 2003/0062994 A1 DE 698 06 566 T2 , undUS 2003/0058118 A1 - 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 gemäß3 mit einem Globtop; -
5 – eine Variante eines Piezogenerators mit Globtop; -
6 – einen Piezogenerator gemäß5 mit elastischer Kontaktschicht; -
7 – eine Einzeldarstellung einer Kontaktschicht gemäß6 ; -
8 – eine schematische Ansicht eines Sensortransponders; sowie -
9 – eine montierte Sensortransponderanordnung. - In der
1 ist ein auf einer Felge3 montierter Reifen gezeigt, an dessen äußerem Umfang ein Laufstreifen2 angeordnet ist. Auf der Reifeninnenseite, dem Laufstreifen2 gegenüber, ist ein Sensortransponder1 mit einem piezoelektrischen Element zur Messung reifenspezifischer Kennwerte befestigt. Aufgrund der Radlast ist der auf einer Fahrbahn5 abrollende Reifen im Bereich einer Reifenaufstandsfläche6 abgeflacht, und zwar um die Eindrückstrecke4 . - 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 Sensortransponder1 befindet. Ist das piezoelektrische Element an der Felge3 angeordnet, stellt sich bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit ein konstanter Zentripetalbeschleunigungsverlauf8 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 Reifenaufstandsfläche6 wirkt keine Zentripetalbeschleunigung a auf das Piezoelement in einem Sensortransponder1 . 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 Träger9 , vorzugsweise einer Trägerplatte, ein piezoelektrischer Biegebalken11 zwischen zwei Kontaktblöcken10 montiert sind. Die Kontaktblöcke10 sind elektrisch leitend und verbinden den piezoelektrischen Biegebalken11 mit einer Schaltung zur Richtungserkennung, die in der7 dargestellt ist. Von dort aus führen Kabel zu einem Ladungsspeicher. - Um die Bewegungsfreiheit des Biegebalkens
11 zu gewährleisten, ist ein Gehäuse12 als Haube darüber angeordnet, während ein unelastischer Verguss13 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 Biegebalkens11 in Richtung der Doppelpfeile bewegt und verformen den Biegebalken11 . Dadurch wird elektrische Energie aufgrund des piezoelektrischen Effektes erzeugt. Der piezoelektrische Biegealken der3 und4 kann als Singlelayer, Multilayer oder als Piezo-Metall-Verbund ausgeführt werden. - In der
4 ist eine Variante des Piezogenerators1 dargestellt, die in der Funktionsweise und im Aufbau sich von der3 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer starren Haube12 ein hochelastischer Globtop16 den Biegebalken11 vor einer Blockierung durch eine starre Vergussmasse13 schützt. Aufgrund der Elastizität der Globtop-Hülle ist es möglich, dass sich der Biegebalken11 aufgrund der Beschleunigungskräfte, die montagebedingt beim Übergang in den und aus den Bereich der Reifenaufstandsfläche6 auf den Sensortransponder1 wirken, verformen kann. - Eine alternative Ausgestaltung des piezoelektrischen Elementes ist in der
5 dargestellt, bei der statt eines Biegebalkens11 gemäß der3 und4 ein mehrlagiger als Piezoelement ausgebildeter Axialsensor110 über eine elektrisch leitfähige Schicht14 auf dem Träger9 montiert ist. Die Montage kann über Kleben, Löten oder Leihpressen erfolgen. Zusätzlich ist eine seismische Masse15 auf dem als Piezoelement ausgebildeten Axialsensor110 aufgebracht, um den piezoelektrischen Effekt zu erhöhen. Umgeben ist der Sensortransponder1 wieder von einem Globtop16 , der eine Trennung von einer festen Vergussmasse13 bewirkt und eine Bewegung des Piezoelementes ermöglicht. - Eine alternative Ausgestaltung des Piezogenerators
1 ist in der6 dargestellt, bei der die elastische Kontaktschicht14 , wie in der7 gezeigt, als eine facettenförmige Kontaktschicht ausgebildet ist, die zur Richtungserkennung dient. Dabei sind verdrahtungsseitige Kontaktierflächen111 ,112 ,113 des Piezoelementes110 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 Kontaktflächen111 ,112 ,113 ,114 mit einer Differenzierschaltung verbunden sind. - In der
8 ist der grundsätzliche Aufbau eines Sensortransponders1 mit einer Trägerplatte9 gezeigt, auf der ein piezoelektrisches Element110 angeordnet ist, auf dem eine seismische Masse15 positioniert ist. Damit eine Beweglichkeit aufgrund der Zentripetalbeschleunigungen ermöglicht ist, ist die Anordnung aus dem piezoelektrischen Element110 und seismischer Masse15 über ein Gehäuse12 oder ein Globtop geschützt. Ein Kondensator17 dient als Ladungsspeicher, ebenfalls ist eine ECU18 auf der Trägerplatte9 angeordnet, verbunden mit über einer Übertragungseinrichtung19 , beispielsweise einem Sender. Zusätzlich können Sensoren für Druck und Temperatur auf der Trägerplatte9 montiert und von der ECU18 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 Ladungsspeichers17 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 Piezostack110 als reine Axialkraftsensoren eingesetzt werden können. Alternativ ist die Ausbildung des Piezoelementes als ein Biegebalken11 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 Kondensator17 , die Schaltung18 und die Transponderelektronik19 sind in einer stammen Vergussmasse13 oder auch einem Mould geschützt, während eine elastische Globtop-Hülle16 oder ein Gehäuse12 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 Element11 an einem Verdrahtungsträger angeordnet ist. Zusätzlich befinden sich auf dem Träger9 eine elektrische Beschaltung18 des Sensortransponders und gegebenenfalls ein zusätzlicher Beschleunigungssensor30 . Das Piezoelement11 ist über eine Kontaktierschicht25 mit dem Träger9 verbunden. Die mechanische Anbindung des Piezoelementes11 an die Reifeninnenseite21 erfolgt über eine elastische Koppelschicht22 . Diese elastische Koppelschicht22 ermöglicht es, dass sich das piezoelektrische Element11 bei einer Beschleunigungsänderung bewegt und elektrische Energie erzeugt. Der Verdrahtungsträger9 ist partiell mit einem Moldmaterial13' umspritzt. Die elektrische Anbindung des Verdrahtungsträgers9 erfolgt über Leadframe23 , der wiederum mit Steckerpins20 verbunden ist. Zusätzlich erfolgt eine mechanische Fixierung des durch das Moldmaterial13' geschützten Sensortransponders innerhalb des Gehäuses12 über eine Vergussmasse13 . Das Gehäuse12 wird über eine umlaufende Verbindungsstelle24 , beispielsweise als Gurt oder Band ausgebildet, mit der Reifeninnenseite21 verbunden. Das Gehäuse12 kann in der Reifeninnenseite21 auch einvulkanisiert werden. Die auf das piezoelektrische Element einwirkenden Kräfte können Axial-, Biege-, Scher- oder Torsionskräfte sein. Eine Ankopplung des piezoelektrischen Elementes11 an den Reifen1 erfolgt über die elastische Koppelschicht22 , die auch als visko-elastische Klebeschicht ausgebildet sein kann.
Claims (13)
- 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.
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