DE102010035258A1

DE102010035258A1 - Device for generating electrical power in oil hydraulic system for supplying electrical power to e.g. sensor, has output channels connected with piezoelectric elements and electrical output lines used for tapping voltage pulses

Info

Publication number: DE102010035258A1
Application number: DE201010035258
Authority: DE
Inventors: Dr. Buchtala Boris
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-01

Abstract

The device has a hydraulic power leading pressure line (1) connected to an inlet (2) of a fluidic oscillator (3), where the oscillator comprises two output channels (4) to which hydraulic current enters into the inlet that is alternately steerable. The output channels are connected with piezoelectric elements (7) by alternating hydraulic current acted upon the piezoelectric elements. Electrical output lines (8) are laid out to an electric power conditioning unit and used for tapping voltage pulses.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie.The invention relates to a device for generating electrical energy.

Bei ölhydraulischen Systemen ist es häufig notwendig, elektrische Leitungen zur Zuführung von elektrischer Energie zu Komponenten wie z. B. Sensoren hinzuführen, die elektrische Energie benötigen.In oil hydraulic systems, it is often necessary electrical lines for supplying electrical energy to components such. B. sensors, which require electrical energy.

Dabei können Schwierigkeiten insofern auftreten, dass die elektrische Energie benötigenden Komponenten sich an bewegbaren, insbesondere drehbaren Bauteilen befinden oder dass Steckverbindungen der elektrischen Leitungen den rauen Systemumgebungen nicht stand halten können. Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten wird in letzter Zeit immer mehr das sogenannte „Energy Harvesting” aus der Umgebung vorgeschlagen. Bekannte Prinzipien zur Gewinnung von elektrischer Energie aus der Umgebung verwenden zur Energiewandlung entweder Licht, thermische Energie, insbesondere einen Temperaturgradienten, oder kinetische Energie (Bewegung, Schwingung, Vibration).In this case, difficulties may arise in that the components requiring electrical energy are located on movable, in particular rotatable components or that plug connections of the electrical lines can not withstand the harsh system environments. To circumvent these difficulties lately more and more so-called "energy harvesting" from the environment is proposed. Known principles for obtaining electrical energy from the environment use for energy conversion either light, thermal energy, in particular a temperature gradient, or kinetic energy (motion, vibration, vibration).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie zu schaffen, die besonders für den Einsatz in hydraulischen Systemen geeignet ist, wobei die elektrische Energie zur problemlosen Versorgung von elektrische Energie verbrauchenden Komponenten, insbesondere von Sensoren wie Drucksensoren, Temperatursensoren, Positionssensoren, Drehzahlsensoren und ähnliche, eines Hydrauliksystems verwendet wird.The object of the invention is to provide a device for generating electrical energy, which is particularly suitable for use in hydraulic systems, wherein the electrical energy for easy supply of electrical energy consuming components, in particular of sensors such as pressure sensors, temperature sensors, position sensors, speed sensors and the like, a hydraulic system is used.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine einen Hydraulikstrom führende Druckleitung mit einem Einlass eines fluidischen Oszillators verbunden ist, der Druckfluktuationen erzeugt und der zwei Ausgangskanäle aufweist, zu denen der am Einlass eintretende Hydraulikstrom, insbesondere ohne bewegliche Teile, zeitlich alternierend lenkbar ist, wobei ein oder beide Ausgangskanäle mit von dem alternierenden Hydraulikstrom beaufschlagbaren piezoelektrischen Elementen bestückt sind, die elektrische Ausgangsleitungen zur Abgabe von Spannungspulsen aufweisen.The object is achieved according to the invention in that a pressure line carrying a hydraulic flow is connected to an inlet of a fluidic oscillator which generates pressure fluctuations and has two outlet channels to which the hydraulic flow entering at the inlet, in particular without moving parts, can be steered alternately over time one or both output channels are equipped with piezoelectric elements which can be acted on by the alternating hydraulic current and which have electrical output lines for the output of voltage pulses.

Erfindungsgemäß wird also das Prinzip des fluidischen Oszillators zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt. Dieses Prinzip der Erzeugung fluidischer Oszillationen ohne bewegliche Teile ist zum Beispiel aus der DE 28 53 327 C2 allgemein bekannt. Fluidische Oszillatoren werden vorzugsweise als Feuchtsensoren, wie zum Beispiel der DD 277 978 A1 entnehmbar ist, als Gasanalysatoren oder als Volumenstromsensoren genutzt, wie zum Beispiel aus der DE 693 14 593 T2 oder der US 5 396 808 A ersichtlich ist.According to the invention, therefore, the principle of the fluidic oscillator is used to generate electrical energy. This principle of the generation of fluidic oscillations without moving parts is for example from the DE 28 53 327 C2 well known. Fluidic oscillators are preferably used as humidity sensors, such as the DD 277 978 A1 is removed, used as gas analyzers or as volume flow sensors, such as from the DE 693 14 593 T2 or the US Pat. No. 5,396,808 is apparent.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird im Hydrauliksystem vorhandene Energie aus genutzt und auf autonome, einfache Weise dort die elektrische Energie erzeugt, wo auch die mit elektrischer Energie zu versorgenden Komponenten angeordnet sind. Dies kann auch an sich drehenden Bauteilen sein, da keine Kabel zur Energieversorgung zu diesen Bauteilen geführt werden müssen.By means of the device according to the invention, energy present in the hydraulic system is utilized and in an autonomous, simple manner generates the electrical energy there, where the components to be supplied with electrical energy are also arranged. This can also be on rotating components, since no cables for power supply to these components must be performed.

Die mit elektrischer Energie zu versorgenden Komponenten sind somit energieautark.The components to be supplied with electrical energy are thus energy self-sufficient.

Die piezoelektrischen Elemente, die piezokeramische Elemente sein können, werden durch den fluidischen Oszillator mit periodisch veränderlichem Druck beaufschlagt, wodurch sie entsprechende Spannungspulse erzeugen. Dabei können nur eine oder aber auch beide Ausgangsleitungen mit einem Piezoelement bestückt sein.The piezoelectric elements, which may be piezoceramic elements, are subjected to periodic variable pressure by the fluidic oscillator, thereby generating corresponding voltage pulses. Only one or even both output lines can be equipped with a piezoelectric element.

Da die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie keine beweglichen Teile besitzt, ist sie weitgehend störungsanfällig und keinem wesentlichen Verschleiß ausgesetzt.Since the means for generating electrical energy has no moving parts, it is largely prone to failure and no significant wear.

Die geringe Baugröße ermöglicht auch ohne wesentliche Probleme eine Nachrüstung bei bestehenden Hydrauliksystemen.The small size also allows retrofitting existing hydraulic systems without significant problems.

Sollen die erzeugten Spannungspulse noch umgeformt werden, können die Ausgangsleitungen zu einer elektrischen Energieaufbereitungseinheit geführt sein. Dabei kann die Energieaufbereitungseinheit ein Spannungswandler sein.If the generated voltage pulses are to be reshaped, the output lines can be led to an electrical energy conditioning unit. In this case, the energy conditioning unit can be a voltage converter.

Die Ausgangsspannung der Piezoelemente oder eine durch die Energieaufbereitungseinheit umgewandelte elektrische Energie kann zu einer eine zu versorgende Komponente bildenden Sensoreinheit zugeleitet werden.The output voltage of the piezo elements or an electrical energy converted by the energy conditioning unit can be supplied to a sensor unit forming a component to be supplied.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die durch ein durch die Energieaufbereitungseinheit umgewandelte elektrische Energie einer Batterie zugeleitet wird.Another possibility is that the electrical energy converted by the energy conditioning unit is supplied to a battery.

Damit können von der Batterie die mit elektrischer Energie zu versorgenden Komponenten wie z. B. Sensoren versorgt werden.This can be used by the battery to be supplied with electrical energy components such. B. sensors are supplied.

Die Energieerzeugungseinrichtung muss nicht in einer einen Hydraulikhauptstrom führenden Druckleitung angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass die den Hydraulikstrom führende Druckleitung ein Bypass zu einer Hydraulikleitung eines Hydrauliksystems ist.The power generation device need not be arranged in a hydraulic main flow leading pressure line. It is also possible that the pressure line leading the hydraulic flow is a bypass to a hydraulic line of a hydraulic system.

Der hydraulische Oszillator, der die notwendigen Druckpulsationen erzeugt, die Piezokeramik in Form von zum Beispiel einer Monomorph-Scheibe zur Erzeugung der elektrischen Energie und ein Spannungswandler zur Umwandlung/Glättung der Piezospannungsspitzen können zu einem Energieversorgungsmodul zusammengefasst sein. Gegebenenfalls kann auch noch ein aufladbarer Batteriepuffer in das Modul eingebracht werden.The hydraulic oscillator which generates the necessary pressure pulsations, the piezoceramic in the form of, for example, a monomorphic Disk for generating the electrical energy and a voltage converter for converting / smoothing the piezo voltage peaks can be combined to form a power supply module. If necessary, a rechargeable battery buffer can also be introduced into the module.

Der Energieversorgungsmodul kann mit einem Sensor zu einem sogenannten autonomen Sensor zu einer Einheit zusammengefasst werden. Mit einer solchen Einheit lässt sich die gesamte Problematik anfälliger Steckverbindungen erschlagen, die vor allem in rauer Umgebung, wo Hydrauliksystem meist genutzt werden, gravierend ist. Dabei werden Steuersignale und Daten von und zu der Einheit per Funk zu übertragen.The power supply module can be combined with a sensor into a so-called autonomous sensor to form a unit. With such a unit, the entire problematic vulnerable connectors can be killed, which is particularly serious in harsh environment, where hydraulic system are mostly used, is serious. In this case, control signals and data to and from the unit to be transmitted by radio.

Besonders vorteilhaft einsetzbar ist die Erfindung also zur Gewinnung von elektrischer Energie aus fluidischer Energie in allen hydrodynamischen, ölhydraulischen Systemen, bei denen Bedarf an einer energieautarken Stromversorgung autonomer, das heißt drahtloser und energieautarker Sensoren oder Sensornetzwerken besteht, der über die geforderte Einsatzdauer nicht oder nur ungenügend durch eine Batterie zu decken ist. Autonomer Sensor bedeutet in diesem Zusammenhang Sensor inklusive zugehörige Signalaufbereitung und Sendemodul.Thus, the invention is particularly advantageous for obtaining electrical energy from fluidic energy in all hydrodynamic, oil-hydraulic systems, where there is a need for an energy self-sufficient power supply autonomous, that is wireless and energy self-sufficient sensors or sensor networks, not or insufficiently over the required duration of use to be covered by a battery. In this context, autonomous sensor means sensor including associated signal conditioning and transmitter module.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Energieerzeugungseinrichtung.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and described in more detail below. The sole figure of the drawing shows a block diagram of an energy generating device.

Die dargestellte Energieerzeugungseinrichtung weist eine Druckleitung 1 auf, durch die ein Hydraulikstrom, insbesondere ein Ölstrom geleitet ist.The illustrated power generation device has a pressure line 1 on, through which a hydraulic flow, in particular an oil flow is passed.

Die Druckleitung 1 führt zu einem Einlass 2 eines fluidischen Oszillators 3, der zwei Ausgangskanäle 4 aufweist.The pressure line 1 leads to an inlet 2 a fluidic oscillator 3 , the two output channels 4 having.

An dem Einlass 2 strömt unter Druck stehendes Öl in den fluidischen Oszillator 3 ein, wobei der Ölstrom dann zeitlich alternierend in die beiden Ausgangskanäle 4 gelenkt wird.At the inlet 2 flows pressurized oil into the fluidic oscillator 3 a, wherein the oil flow then alternately in time in the two output channels 4 is steered.

In Strömungsrichtung hinter dem fluidischen Oszillator 3 werden die beiden Ausgangskanäle 4 wieder zusammengeführt und der Ölstrom in eine Fortsetzung 5 der Druckleitung 1 weitergeleitet.In the flow direction behind the fluidic oscillator 3 become the two output channels 4 merged again and the flow of oil into a sequel 5 the pressure line 1 forwarded.

Jeder Ausgangskanal 4 ist über eine Stichleitung 6 mit einem piezoelektrischen Element 7 verbunden, so dass dieses von dem jeweiligen Druck in dem zugeordneten Ausgangskanal 4 beaufschlagt wird.Each output channel 4 is over a stub line 6 with a piezoelectric element 7 connected so that this from the respective pressure in the associated output channel 4 is charged.

Durch die Druckbeaufschlagung erzeugt das piezoelektrische Element 7 eine elektrische Spannung.By the pressurization generates the piezoelectric element 7 an electrical voltage.

Durch das alternierende Hindurchleiten des Ölstroms durch die beiden Ausgangskanäle 4 erfolgt auch eine alternierende Druckbeaufschlagung der beiden piezoelektrischen Elemente 7. Diese erzeugen also Spannungspulse.By alternating passage of the oil flow through the two exit channels 4 There is also an alternating pressurization of the two piezoelectric elements 7 , These generate voltage pulses.

Die Wechselspannungen werden über elektrische Ausgangsleitungen 8 der piezoelektrischen Elemente 7 zu einem Spannungswandler 9 geleitet und von diesem in einen Gleichstrom gewandelt.The AC voltages are via electrical output lines 8th the piezoelectric elements 7 to a voltage converter 9 passed and converted by this into a direct current.

Über eine elektrische Leitung 10 wird der Gleichstrom einer Batterie 11 zugeleitet und dort gespeichert.Via an electrical line 10 becomes the direct current of a battery 11 forwarded and stored there.

Über Versorgungsleitungen 12 versorgt die Batterie 11 mehrere mit elektrischer Energie zu versorgende Komponenten 12, insbesondere Sensoren,About supply lines 12 supplies the battery 11 several components to be supplied with electrical energy 12 , in particular sensors,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Druckleitungpressure line
22: Einlassinlet
33: fluidischer Oszillatorfluidic oscillator
44: AusgangskanäleOutputs
55: Fortsetzungcontinuation
66: Stichleitungstub
77: piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
88th: Ausgangsleitungenoutput lines
99: SpannungswandlerDC converter
1010: Leitungmanagement
1111: Batteriebattery
1212: Versorgungsleitungensupply lines
1313: Komponentencomponents

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 2853327 C2 [0006]
DD 277978 A1 [0006]
DE 69314593 T2 [0006]
US 5396808 A [0006]

Claims

Device for generating electrical energy in a hydraulic system, characterized in that a hydraulic line carrying a pressure line ( 1 ) with an inlet ( 2 ) of a fluidic oscillator ( 3 ), which has two output channels ( 4 ), to which the at the inlet ( 2 ) incoming hydraulic power is temporally alternately steerable, wherein one or both output channels ( 4 ) to be acted upon by the alternating hydraulic current piezoelectric elements ( 7 ), the electrical output lines ( 8th ) for tapping voltage pulses.

Device according to claim 1, characterized in that the output lines ( 8th ) are guided to an electric power conditioning unit.

Device according to Claim 2, characterized in that the energy conditioning unit is a voltage converter ( 9 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a sensor unit is supplied with generated electrical energy.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the converted by the energy conditioning unit electrical energy of a battery ( 11 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hydraulic line leading the pressure line ( 1 ) is a bypass to a hydraulic line of a hydraulic system.