DE10318733A1

DE10318733A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieversorgung von Sensoren

Info

Publication number: DE10318733A1
Application number: DE10318733A
Authority: DE
Inventors: Jiri Marek; Matthias Illing; Hans-Peter Trah; Oliver Schatz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-11
Also published as: US20040212195A1; US6989609B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines mit einem Rad eines Fahrzeugs mitbewegten Sensors, DOLLAR A - welche einen mit dem Rad des Fahrzeugs mitbewegten Generator enthält und DOLLAR A - wobei der Generator aus Vibrationsbewegungen der Fahrzeugräder elektrische Energie erzeugt.

Description

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass autonome Sensoren (z.B. Reifendrucksensoren) durch eine am Reifen bzw. Rad angebrachte Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Sensors in oder an einem Fahrzeug,

– welche einen Generator enthält,
– wobei der Generator aus Vibrationsbewegungen des Fahrzeugs elektrische Energie erzeugt.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines mit einem Rad eines Fahrzeugs mitbewegten Sensors,

– welche einen mit dem Rad des Fahrzeugs mitbewegten Generator enthält und
– wobei der Generator aus Vibrationsbewegungen der Fahrzeugräder elektrische Energie erzeugt.

Damit gelingt durch die während der Fahrt stets vorliegenden Vibrationsbewegungen der Räder auf eine einfache Art und Weise eine Energieversorgung des Sensors, so dass auf die bisher dazu verwendeten Batterien verzichtet werden kann. Damit ergeben sich die folgenden Vorteile:

– kleine Baugröße,
– keine Lebensdauerbeschränkung,
– kein Auslaufen der Batterie,
– hohe Zuverlässigkeit sowie
– geringe Kosten.

Eine vorteilhafte erste Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ein Plattenkondensatorsystem enthält, dessen Plattensysteme durch die Vibrationsbewegungen der Räder relativ zueinander bewegt werden. Diese Systeme können mit der Technik der Oberflächenmikromechanik hergestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass

– in vorbestimmten ersten Relativpositionen der Plattensysteme zueinander das Plattenkondensatorsystem wenigstens teilweise entladen wird und
– in vorbestimmten zweiten Relativpositionen der Plattensysteme zueinander das Plattenkondensatorsystem wenigstens teilweise wieder aufgeladen wird.

Dabei ist es denkbar, dass die Entladung soweit erfolgt, bis die elektrische Spannung des Plattenkondensatorsystems auf einen ersten Grenzwert abgesunken ist. Analog dazu kann die Aufladung soweit erfolgen, bis die Spannung wieder einen zweiten Grenzwert erreicht hat.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen der ersten Relativpositionen und der zweiten Relativpositionen der Plattensysteme zueinander durch einen Positionsdetektor ermittelt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die

– eine erste Relativposition dann vorliegt, wenn das Plattenkondensatorsystem eine geringe Kapazität aufweist und
– eine zweite Relativposition dann vorliegt, wenn das Plattenkondensatorsystem eine hohe Kapazität aufweist.

Bei geringer (bzw. relativ geringer) Kapazität des Plattenkondensatorsystems führt eine vorgegebene Ladungsmenge auf den Platten zu einer relativ hohen Spannung, welche abgegriffen werden kann. Bei einer großen Kapazität führt dieselbe vorgegebene Ladungsmenge zu einer viel kleineren Spannung, d.h. das Wiederaufladen des Kondensators erfolgt bei einer kleineren elektrischen Spannung als das Entladen. Daraus resultiert ein Energiegewinn, welcher beispielsweise zur Energieversorgung eines Reifendrucksensors genutzt werden kann. Dabei sind die Begriffe „geringe Kapazität" und „hohe Kapazität" natürlich auf die Kapazität des Plattenkondensatorsystems bezogen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der durch den Positionsdetektor ermittelten Relativposition wenigstens ein Schalter gesteuert und damit eine Aufladung oder eine Entladung des Plattenkondensatorsystems bewirkt wird. Damit wird sichergestellt, dass das Auf- und Entladen des Kondensators jeweils in den geeigneten Zuständen (relative Lage der Plattensysteme zueinander) erfolgt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter als elektronischer Schalter realisiert ist. Dieser Schalter kann beispielsweise als Transistor realisiert sein.

Eine zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,

– dass der Generator einen mit dem Rad mitbewegten Permanentmagneten enthält und
– die elektrische Energie durch die Bewegung eines elektrischen Leiters im Feld des Permanentmagneten erzeugt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Aufladung eines mit dem Fahrzeugrad mitbewegten Energiespeichers verwendet wird. Dadurch ist die Energieversorgung des Sensors auch bei einem stillstehenden Fahrzeug möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um

– einen Reifendrucksensor oder
– einen Reifentemperatursensor oder
– einen Reifenkraftsensor oder
– einen Reifenidentifikationssensor handelt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug angewandt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung in mikromechanischer Bauweise realisiert.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Zeichnungen 1 bis 5 dargestellt.
1 zeigt das elektrodynamische Prinzip in seiner allereinfachsten Ausführungsform.
2 zeigt eine weitere auf dem elektrodynamischen Prinzip beruhende Ausführungsform.
3 zeigt eine auf dem elektrostatischen Prinzip beruhende Ausführungsform.
4 zeigt eine weitere auf dem elektrostatischen Prinzip beruhende Ausführungsform.
5 zeigt das Gesamtsystem.
Ausführungsbeispiele
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass für autonome Sensoren (z.B. Reifendrucksensoren) eine Energieversorgung mittels

– eines elektrodynamischen Prinzips oder
– eines elektrostatischen Prinzips verwendet wird. In beiden Fällen wird eine schwingungsfähige Struktur durch Vibrationen im Fahrzeug zu Schwingungen angeregt. Eine spezielle Ausführungsform besteht beispielsweise in der „inversen Verwendung" mikromechanischer Sensoren. Beispielsweise wird bei einem mikromechanischen Drehratenssensor der Resonator über einen oszillierenden Strom in einer Leiterbahn in einem externen Magnetfeld angetrieben. Wird umgekehrt dieser Resonator durch Schwingungen des Rades oder andere Vibrationen im Fahrzeug in Bewegung versetzt, dann wird durch magnetische Induktion (d.h. Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld) in der Leiterbahn ein Strom induziert (= elektrodynamisches Prinzip). Solche Strukturen können in reiner Oberflächenmikromechanik hergestellt werden.

Eine weitere Ausführungsform (elektrostatisches Prinzip), welche ohne Magnetfeld auskommt, umfasst im Grundprinzip zwei aufgeladene Kondensatorplatten. Diese tragen eine bestimmte, lediglich vom Vorzeichen her verschiedene, elektrische Ladung.
Bewegen sich die beiden Platten infolge der Vibration voneinander weg (= größerer Plattenabstand, kleinere Kapazität), dann steigt die elektrische Spannung zwischen den Kondensatorplatten. Dies ist physikalisch dadurch bedingt, dass infolge der elektrischen Anziehungskraft zwischen den Platten mechanische Arbeit gegen das elektrische Feld bzw. gegen diese Kraft verrichtet wird. Über eine SC-Schaltung (= „switched capacitor"-Schaltung) kann die Ladung bei Vorliegen der erhöhten Spannung abgegriffen werden. Anschließend bewegen sich die beiden Platten infolge der Vibration bzw. Rüttelbewegung wieder aufeinander zu. Als Folge sinkt die (durch das Abführen der Ladungen ohnehin bereits erniedrigte) Spannung wieder. Bei geringem Plattenabstand (große Kapazität) und niedriger Spannung wird der Kondensator dann wieder aufgeladen. Bei diesem Aufladevorgang muss dem Kondensator weniger Energie zugeführt werden, als von ihm entnommen wurde. Die Energiedifferenz stammt aus der durch den Rüttelvorgang erzeugten kinetischen Energie der Kondensatorplatten.
Der Grundgedanke des elektrodynamischen Prinzips ist in 1 dargestellt. Dabei zeigt das Magnetfeld B (d.h. die magnetische Induktion B) in die Zeichenebene hinein. In diesem Feld bewegt sich ein elektrisch leitfähiger Körper 100 infolge einer Ruttelbewegung hin und her ( als „↔" eingezeichnet). Dadurch wird infolge der Lorentzkraft eine Wechselspannung U_i erzeugt, welche zwischen zwei Klemmen abgegriffen und gleichgerichtet werden kann. Damit kann beispielsweise ein Energiespeicher aufgeladen werden, welcher zur Stromversorgung beispielsweise eines Reifendrucksensors dient.
Eine weitere auf dein elektrodynamischen Prinzip beruhende Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Dabei kennzeichnet 200 eine federnde Auflhängung (z.B. eine Blattfeder), an welcher eine Masse 201 befestigt ist. An dieser Masse ist links der wiederum federnd angebrachte Leiter 202 befestigt, an welchem nach dem in 1 gezeigten Funktions prinzip eine Wechselspannung abgegriffen wird. Der Zweck der Masse 201 besteht darin, dass der Leiter 201 durch die Anbringung des Masse eine verstärkte Auslenkung infolge der Rüttelbewegung erfährt.
Eine Ausführungsform des elektrostatischen Prinzip ist in 3 dargestellt. Dabei kennzeichnet 300 wiederum die federnde Aufhängung und 301 kennzeichnet eine Masse. Die Plattensystem 302 und 303 bilden einen Kondensator und werden gegeneinander bewegt. 304 kennzeichnet die elektrischen Verbindungsleitungen. Daran ist eine elektrische Schaltung angeschlossen, welche den Kondensator im Zustand hoher Spannung (bzw. kleiner Kapazität) entlädt und im Zustand geringer Spannung (bzw. großer Kapazität) auflädt.
Eine weitere Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Wiederum kennzeichnet 400 die federnde Aufhängung und 401 kennzeichnet die Masse. 402 kennzeichnet einen Positionsdetektor, welcher die relative Position der Plattensystem zueinander (und damit die momentane Kapazität des Kondensators) detektiert. Abhängig vom Ausgangssignal des Positionsdetektors 402 werden die Schalter der Zweige 403 und 404 betätigt. Dabei kennzeichnet 403 den „Speicherzweig", welcher eine Aufladung des Energiespeichers 403 ermöglicht und 404 kennzeichnet den „Rückladungszweig", welche eine Aufladung des Plattensystems ermöglicht. Dies ist an der jeweiligen Richtung der Dioden in den beiden Zweigen zu erkennen.
In 5 ist das Gesamtsystem skizziert. Dabei kennzeichnet Block 500 den erfindungsgemäßen Generator, Block 501 kennzeichnet einen Energiespeicher (evtl. mit einer dazugehörigen, vorgeschalteten Schaltung wie beispielsweise einem Gleichrichter) und Block 502 kennzeichnet den Sensor.

Claims

Vorrichtung zur Energieversorgung eines Sensors in oder an einem Fahrzeug, – welche einen Generator enthält, – wobei der Generator aus Vibrationsbewegungen des Fahrzeugs elektrische Energie erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – es sich um einen mit einem Rad des Fahrzeugs mitbewegten Generator handelt und – dass der Generator aus Vibrationsbewegungen der Fahrzeugräder elektrische Energie erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ein Plattenkondensatorsystem enthält, dessen Plattensysteme (302, 303) durch die Vibrationsbewegungen relativ zueinander bewegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – in vorbestimmten ersten Relativpositionen der Platensysteme (302, 303) zueinander das Plattenkondensatorsystem wenigstens teilweise entladen wird und – in vorbestimmten zweiten Relativpositionen der Plattensysteme zueinander das Plattenkondensatorsystem wenigstens teilweise wieder aufgeladen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen der ersten Relativpositionen und der zweiten Relativpositionen der Plattensysteme zueinander durch einen Positionsdetektor (402) ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die – eine erste Relativposition dann vorliegt, wenn das Plattenkondensatorsystem eine geringe Kapazität aufweist und – eine zweite Relativposition dann vorliegt, wenn das Plattenkondensatorsystem eine hohe Kapazität aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der durch den Positionsdetektor (402) ermittelten Relativposition wenigstens ein Schalter (403, 404) gesteuert und damit eine Aufladung oder eine Entladung des Plattenkondensatorsystems bewirkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (403, 404) als elektronischer Schalter realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Generator einen Permanentmagneten enthält und – die elektrische Energie durch die Bewegung eines elektrischen Leiters (100) im Feld (B) des Permanentmagneten erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Aufladung eines mit dem Fahrzeugrad mitbewegten Energiespeichers verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor um – einen Reifendrucksensor oder – einen Reifentemperatursensor oder – einen Reifenkraftsensor oder – einen Reifenidentifikationssensor handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Kraftfahrzeug handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in mikromechanischer Bauweise realisiert ist.