CN103620649A - 用于车辆识别的车载单元 - Google Patents
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Abstract
用于车辆识别系统的车载单元包括能量采集器，所述能量采集器能够提供操作车载单元所需的至少部分能量。
Description
本发明一般涉及车辆识别，并且特别涉及对通过道路用户收费点或位置的车辆自动识别和记录的系统和方法。更特别的，根据权利要求1的前序部分，本发明涉及可以安装在车辆中的车载单元(OBU)。更加特别的，本发明提供了一种为这种车载单元供电的新的解决方法。
背景技术
本发明的背景在于：当前，用于对通过道路用户收费点的车辆自动识别和记录并开始关于这种通过而收费的商用系统的不断发展。这种道路用户收费系统已经在世界的许多地方运行，例如在挪威的大城市中。由于道路和高速公路的日益拥挤以及相关的环境影响，世界各地更多地关注实施可以减少车辆交通量的规定。征收道路用户收费是一种选择，用于简单有效支付道路用户收费的自动化系统是市场上能买到的，并且也在不断的发展。
识别车辆的一种方式是为通过道路收费点的车辆配备车载单元(OBU)，每个OBU唯一地与安装所述OUB的车辆相关联，并能够发出其存在信号到适当的读取单元(RU)，所述读取单元连接到相关的路侧设备(RSE)以对通信信号进一步的制备和处理。
在由挪威公司Q-Free ASA提供的系统中，任何装载Q-Free标识卡的车辆，在通过配备有对应Q-Free读取单元(RU)和路侧设备的道路收费点时，将会被自动地的识别。所述Q-Free系统确保正确的支付，例如每次车辆通过道路收费点，对预付款客户账户记账。所述标识卡/OBU包括收发器，所述收发器能够接收连接路测设备的读取单元发送的信号，并从收发器向RU提供响应信号。所述响应唯一地识别所述车辆。早期的Q-Free系统使用无源收发器，在本地的OBUs中所述收发器可以无电池的操作。
目前道路用户收费(RUC)系统可以使用基于专用短程通信(DSRC)的收发器，其工作的信号频率在5.8MHz频段。他们可以适于满足CEN／TC278标准化工作的建议。这种收发器安装在车辆中，并且通常他们被称为车载单元或这里描述的OBU。
有源车载单元通常由电池供电，例如以一次性锂电池的形式(3.6V，350-900mAh)。在正常操作中，这种电池为标识卡提供至少五年的使用寿命。但是由于读取单元下的通道数量以及周围的无线信号(例如雷达天线，WLAN设备等)引起的不需要的唤醒过程的数量，所述使用寿命可能明显地缩短。
目前有源OBU面临着许多局限性。例如，尽管所述能量供应单元可以工作相当长一段时间，但是在一段时间后他们通常必须要更换。由于有限的能量供应，需要频繁更换电池或者甚至更换所述OBU本身，他们的使用寿命也是有限的。此外，所述使用寿命还取决于外部影响，例如除了道路用户收费点的无线电信标，所述OBU多久被信号激活(不需要的唤醒过程)。
因此，持续的努力以提供在更节能方式中工作的OBU，以及提供具有改进的能量存储容量的电池，而不增加OBU的重量和尺寸。
在这样的背景下，OBU具有增加的使用寿命是公认的需要，以避免不必要的更换OBU的电池或完全更换整个OBU本身。
发明目的
本发明的主要目的是提供具有增加的使用寿命的新型OBU，并因此在OBU的整个工作寿命期间不要求那么频繁的更换OBU或不更换OBU。这样的解决方法将有助于降低与更换电池相关的浪费量，使得OBU更加的环保，同时减少道路用户收费系统的总的使用寿命成本。
发明内容
在权利要求1中描述了根据本发明的车载单元。在权利要求2-10中描述了车载单元的优选特征。
车辆识别通常需要与道路用户收费(RUC)系统，拥堵收费系统，征道路税征收系统，车辆登记系统等相关。
在根据本发明的OBU的一个实施例中，包括能量采集器作为能量供应单元的一部分，所述能量供应单元为OBU供应操作所需的电压/电流水平。
在根据本发明的OBU的另一个实施例中，所述能量采集器包括谐振机械装置，其中的材料在受到机械影响(例如加速，旋转，弯曲等)时能够产生电力，例如压电装置。
在根据本发明的OBU的另一个实施例中，所述能量采集器包括能够将机械能或动能(例如机械振动)转换为电能的装置。
在根据本发明的OBU的一些实施例中，所述能量采集器连接到可充电装置形式的能量存储单元，例如锂电池或电容。
根据本发明的另一个实施例，所述能量采集器被设置为向OBU的识别单元提供功率，其使得OBU能够提供必要的信息以便道路用户收费系统中的路侧设备识别所述OBU。所述路侧设备连接读取单元，所述读取单元通常位于所述通过车辆的上方。
所述能量采集器增加了OBU的使用寿命，所述OBU包括可充电电池，或作为具有标准主电池的OBU中的补充能量源。
在根据本发明的一些实施例中，所述OBU设置为没有电池进行操作，因此所述能量采集器提供足够的电源，其在大多数正常操作条件下能够单独给OBU提供能量。
根据本发明的另一个实施例，所述能量采集器结合电容，所述电容用于存储少量的能量。在这种情况下，在原理上所述OBU可以具有无限的使用寿命。
在根据本发明的另一个实施例中，所述能量采集器是能量供应单元的一部分，所述能量供应单元为OBU供应所需的电压／电流水平来为OBU的核心部件提供电源。
在根据本发明的OBU的另一个实施例中，能量存储单元连接所述能量采集器以至少存储由所述能量采集器提供的部分能量。所述能量存储单元优选地包括可充电电池装置。
根据本发明的另一个实施例，所述OBU包括机电能量采集器，例如基于压电装置的能量采集器。
根据本发明的OBU的一些实施例，包括电磁能量采集器，所述电磁能量采集器是基于响应于外部机械影响而关于磁场运动的导体的。
根据本发明的OBU的另一个实施例，包括静电能量采集器，所述静电能量采集器基于响应于外部机械影响而关于其他电容部件运动的至少一个电极或部分介电材料而引起的电容改变。
根据本发明的OBU的另一个实施例，包括基于机械谐振装置的能量采集器，所述机械谐振装置具有5-30Hz范围内的谐振频率。
通过下面示例性的描述，将呈现本发明的其他优选特征和优点。
实施例
现在将参考附图更详细地描述根据本发明的车载单元，其中：
图1示出了在车辆中设置OBU的主要原理，以与道路用户收费系统中的读取单元通信，以及
图2详细示出了根据本发明的OBU的实施例。
现在参考图1，其示出了在车辆中设置车载单元(OBU)10的基本原理，以通过通信链路200与道路用户收费系统中的路侧设备(RSE)100的读取单元(RU)通信。所述OBU的交互作用用于识别通过所述RU的车辆，所述RU能够与所述OBU10通信，并且基于从所述OBU10接收的信息识别通过的车辆。
所述RSE100向通过的车辆发送信号。当具有OBU10的车辆在所述RSE100附近时，所述OBU10获取所述发送信息，并产生适当的响应信号，所述响应信号从所述OBU10发送到所述RSE100。所述OBU产生包括信息的响应信号，例如以数字编码形式，基于预存信息，所述RSE100可以使用所述信息识别通过的车辆，所述预存信息将使用的每个OBU数字编码与车辆和它的所有者联系在一起，并为上述车辆实现道路用户收费的支付，实现所述支付，例如根据上述车辆的所有者和道路用户收费系统的运营商之间的协议。
在优选的实施例中，所述OBU10设置有识别模块，所述识别模块包括编码载体，因此所述识别模块设置为提供来自编码载体的编码到信号发生器，所述信号发生器产生从所述OBU10到所述RSE100的响应信号。对于每个单独的OBU10，所述编码载体可以通过唯一的识别编码来唯一地编程。可以在公开的国际专利申请WO94／03982中发现设计这种OBU10的一个例子。
例如，所述OBU10可以安装在挡风玻璃(也就是车辆的挡风屏)内侧，从驾驶员的位置来看，通常在后视镜后面的部分挡风玻璃上。在具有金属化挡风玻璃的车辆中，通常设置有非金属化区域用来安装OBU10等，以允许与车辆外部的设备通信。所述OBU10还可以安装在车身部件内侧，比如非屏蔽车身部件，例如非金属车身部件。
现在参考图2，其示出了根据本发明的OBU10，其设置有能量采集器11。所述能量采集器通常连接OBU电源单元12，优选地通过阻抗和电压匹配模块13连接OBU电源单元12。所述能量采集器11还可能通过电源管理模块15与能量存储单元14配合。
所述能量采集器11和能量存储单元14可以是OBU电源单元12的一部分。所述OBU电源单元12通过第一链路16连接OBU的主要部件17，以为所述OBU10的其他主要部件提供所需的电力。所述OBU的主要部件17处理从图1可以理解的功能，例如与所述RSE100通信和信息交换。
当使用无线通信时，所述OBU10通常包括天线18，其通过第二链路19连接所述OBU的主要部件17。例如，所述OBU10和RSE100之间的通信可以如公开的国际专利申请WO01／59947所描述的来实现。
根据本发明，所述能量采集器11是能够将能量(例如振动能量形式的机械能或动能，旋转能量，或脉冲能量)转换为电能的设备，例如基于同样的原理，可以使用如美国专利US7057330所描述的装置。
本发明人意识到能量采集器是市场上能买到的，并且据称能够将低水平的振动转换为有用的能量，例如是指在产品数据表nr01／04中的装置，题为“能量采集器”，FerroSolutions公司，2004年，以及在http：／／www.ferrosi.com／files／FS_product_sheet_wint04.pdf中描述的装置，其自称是产生毫瓦(mW)范围电源的第一批产品。
在S.L.Kok等人的文章“A Free-standing，Thick-Film Piezoelectric EnergyHarvester”中描述了压电能量采集器的例子，公开日期未知。
还可以使用其他类型的能量采集器，例如获取太阳能的太阳能电池，或基于热能，风能或其他类型能量的装置。所述能量采集器可以基于从环境振动，热或光获取能量。还可以使用获取动能的其他类型的装置。根据本发明的所述OBU10例如可以包括电磁能量采集器，所述电磁能量采集器基于关于磁场的导体运动，响应于外部的机械影响的导体运动。
根据本发明的所述OBU10还可以包括静电能量采集器，所述静电能量采集器基于响应于外部机械影响而由电极相互运动或关于电极的部分介电材料的运动引起的电容改变。
例如以前已经在E.O.Torres等人的文章“Electrostatic Energy Harvesterand Li-Ion Charger Circuit for Micro-Scale Applications”中描述了基于静电的能量采集器，公开日期未知。
本发明人已经实现了三维(x，y，z平面)加速度的测量，如在典型车辆的正常行使状况期间所经历的。已经记录所测量的数据，并随后处理所测量的数据以提供加速度的功率谱估计。
所述结果表明在典型车辆中的特征性的频率/频带与其他频率相比具有相对较大功率密度。因此，在根据本发明的OBU10的一些实施例中，包括谐振能量采集器11，其具有调谐到一个这种频带的谐振峰值。所述能连采集器11还可以调谐到具有等于或接近典型发动机或车轮振动频率的谐振频率。
优选地，所述能量采集器11包括谐振装置，所述谐振装置具有在5-30Hz频率范围内的谐振峰值，或更具体地在5-15Hz或15-30Hz频率范围内，甚至更优选地在12-18Hz范围内，并且还更优选地在14-16Hz范围内。
因此所述能量采集器11优选地设计成谐振机械装置，其中的材料在受到机械影响(例如弯曲)时能够产生电力。虽然单一的谐振装置是使用最简单的装置，但是也可以同样使用多个谐振装置，特别是从多个频带获取能量。压电材料具有这种性质并且是可能的解决方法。所述机电谐振装置还可以基于在磁场中运动的导体以及电容，在所述电容中由外部的影响引起电极之间距离的改变。
一般地说，在加速，制动，经过土墩或其他类型的不规则道路时的冲击，可以为所述OBU10提供足够的动能来设置能量采集器11的谐振装置振荡，因此所述OBU10可以获取能量。
本发明人从他们安装商用系统的OBU装置的经验可知，OBU10可以在正常车辆行驶状况期间以大约10微瓦(μW)的小功率持续地工作，同时可以在与所述RU进行通信所需的几十毫秒内以大约10毫瓦(mW)的功率工作，以实现道路用户收费支付交易。意识到这些可能性，本发明人已经意识到由商用能量采集器来为OBU10提供功率是完全可行的，特别是如果所述能量采集器11是基于谐振装置的，所述谐振装置能够在以上频率范围内谐振振动。本发明人已经发现现有的能量采集器能够为OBU长时间的持续运行提供所需的能量，而且，如果所述能量采集器11与能量存储单元14配合，所述OBU10的持续操作是可能的。
当本发明人已经分析了上述测量结果时，随后有可能从这些部件的生产商获得能量采集器，所述能量采集器具有在上述频率范围内谐振所需的设计参数，对于安装在车辆中的典型位置的OBU10，所述频率是优选的。因此，获得自供电OBU10，其在电池已经耗尽电量时不需要更换电池。
综上所述，提供了具有能量采集器11的OBU10，使得OBU具有增加的使用寿命，同时其使用寿命不依赖唤醒所述OBU10进行操作的外部不需要的无线信号。从而减少了对定期更换电池的依赖。
Claims (10)
1.一种在车辆识别系统中使用的车载单元(10)，其特征在于所述车载单元(10)包括能量采集器(11)，所述能量采集器(11)能够提供操作所述车载单元(10)所需的至少部分能量。
2.根据权利要求1所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)是能量供应单元(12)的一部分，用于为所述车载单元(10)供应操作所需的电压／电流水平。
3.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)包括其材料在受到机械影响时能够产生电力的谐振机械装置，例如压电装置。
4.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)包括能够将振动能量转换为电能的装置。
5.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述车载单元(10)包括能量存储单元(14)，所述能量存储单元(14)连接到能量采集器(11)，用于存储获取的能量。
6.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)连接到可充电装置形式的能量存储单元(14)，例如锂电池。
7.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)连接到电容装置形式的能量存储单元(14)，用于临时存储电能。
8.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)是基于响应于外部机械影响而关于磁场所动的导体的电磁型的。
9.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)是基于响应于外部机械影响而关于其他电容部件运动的至少一个电极或部分介电材料引起的电容改变的静电型的。
10.根据前述任一权利要求所述的车载单元，其特征在于所述能量采集器(11)是基于机械谐振装置的，所述机械谐振装置具有5-30Hz范围内、更特别是在5-15Hz或15-30Hz频率范围内、甚至更特别是在12-18Hz范围内、并且还更优选地在14-16Hz范围内的谐振频率。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140305 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |