DE102004006295A1

DE102004006295A1 - Vorrichtung zur Überwachung physikalischer Größen an einem Fahrzeug mit unterstützender Energieversorgung

Info

Publication number: DE102004006295A1
Application number: DE102004006295A
Authority: DE
Inventors: Gregor Kuchler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: US20050174225A1; DE102004006295B4; US7213452B2

Abstract

Vorrichtung (20) zur Überwachung einer physikalischen Größe, insbesondere des Reifendrucks, eines in einem Fahrzeug (1) montierten Rades (10), wobei die Vorrichtung an dem Rad (10) montierbar ist und Folgendes aufweist: eine elektrische Energiequelle (24), einen Sensor (21) zum Ermitteln der physikalischen Überwachungsgröße, einen Sender (23) zum Senden einer Funkmeldung, welche von dem Sensor gelieferte Daten enthält, einen Betriebsdetektor (27) zur Erzeugung eines Betriebssignals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer physikalischen Größe, insbesondere des Reifendrucks, eines in einem Fahrzeug montierten Rades nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren hierzu nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Für die ständige Überwachung von physikalischen Größen der Räder eines Fahrzeugs werden häufig am Rad montierte Sensoren eingesetzt, welche die Überwachungsgröße bestimmen und über jeweils einen angeschlossenen Sender per Funk an einen fahrzeugseitig angebrachten Empfänger senden. Dieser Empfänger ist dabei mit dem elektronischen Steuerungssystem des Fahrzeugs verbunden, das die von der Radelektronik empfangenen Daten auswertet.
Handelt es sich dabei insbesondere um Reifendruckdaten, so kann dann die Fahrzeugelektronik den Fahrer ständig mit Informationen über den Reifendruck versorgen und ihn somit bei zu niedrigem Reifendruck zu einer Wartung auffordern oder ihn bei einer sich durch Druckabfall ankündigenden Gefahrensituation so zeitig wie möglich warnen, wie sie etwa bei einem „platzenden" Reifen auftreten kann.
Solche Reifendruck-Überwachungssysteme enthalten in der Regel nicht austauschbare Batterien für die Versorgung der elektronischen Bauteile. Eine Erschöpfung der Batterie erfordert deshalb den arbeits- und kostenintensiven Austausch der gesamten im Rad montierten Elektronik. Man hat aus diesem Grund bereits mehrere Ansätze verfolgt, die Lebensdauer der Batterie so weit als möglich zu verlängern. In der Regel wird ein von der Raddrehung abhängiges Schaltelement benutzt, das die Radelektronik bei Stillstand des Rades in einen Stromsparmo dus versetzt oder ganz abschaltet. Dafür sind aber zusätzliche Bauteile erforderlich, welche die Raddrehung erkennen.
Alternativ kann ganz auf eine Batterie verzichtet werden und die Radelektronik von außen, beispielsweise mittels induktiver Übertragung, mit Energie versorgt werden. Dies erfordert aber einen relativ hohen apparativen Aufwand, was mit deutlich erhöhten Kosten verbunden ist, und ist technisch wegen der Raddrehung nicht ganz einfach zu realisieren.
Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht in der Verwendung von Energiewandlern, welche Bewegungen des Rades in elektrische Energie umwandeln. Das Energieangebot solcher Wandler und damit die Funktionsbereitschaft und Zuverlässigkeit der Radelektronik ist hierbei jedoch stark von der Fahrsituation abhängig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine besonders langlebige und zugleich zuverlässige Energieversorgung für eine Überwachungsvorrichtung physikalischer Größen eines Rades zu schaffen, die zugleich mit einem geringen Aufwand auskommt und daher kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, eine Anordnung nach Anspruch 8 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.

Die Lösung beruht auf dem Prinzip, die vorhandenen Energieressourcen so weit als möglich zu schonen und sie zugleich im Betrieb aufzufüllen. Dies wird erreicht, indem die Energiequelle, so oft es ohne Einbuße der Zuverlässigkeit möglich ist, von den Verbrauchern getrennt wird und sie gleichzeitig während des Betriebs aufgeladen wird. Weiterhin wird dabei dasselbe Bauteil für das Erkennen einer Leerlaufphase und das Generieren von elektrischer Energie genutzt.

Die erfindungsgemäße Lösung weist eine ganze Reihe von Vorteilen auf. Wegen der Abschaltung bzw. des Standby-Modus der Elektronik, sobald sie nicht benötigt wird, verringert sich der Energieverbrauch. Gleichzeitig wird die Energiequelle während des Fahrzeugbetriebs ständig aufgeladen. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der Energiequelle und somit der Austauschzyklus der gesamten Radelektronik entscheidend verlängert werden.

Dadurch, dass der Betriebsdetektor und der Generator dasselbe Element sind, wird eine besonders kompakte Bauweise mit besonders wenigen Bauteilen ermöglicht. Das reduziert nicht nur die Herstellungskosten, sondern verringert zudem wegen der geringeren Komplexität die Ausfallwahrscheinlichkeit. Insgesamt werden also eine Reihe von Kosten eingespart und wird die Zuverlässigkeit stark erhöht.

Vorteilhafterweise ist der Generator ein mechanisch-elektrischer Wandler, der mechanische Energie aus Vibrationen und Verformungen des Rades in elektrische Energie umwandelt. Diese Art von Generator ist platzsparend, zuverlässig und schon bei geringer Drehzahl des Rades effektiv.

Bevorzugt weist dabei der Generator ein Piezoelement auf, insbesondere eine piezoelektrische Beschichtung oder piezokeramische Fasern. Die Ausnutzung des Piezoeffektes beutet die Vibrationen/Verformungen effektiv aus, und über eine Beschichtung bzw. Fasern lässt sich das Element in jeder gewünschten Form ausbilden.

Bei einer anderen Ausführungsform ist der Generator ein mechanisch-elektrischer Wandler, der mechanische Energie aus einer Drehbewegung des Rades in elektrische Energie umwandelt. Damit lässt sich eine höhere Leistung erzielen und eine sehr bewährte Erzeugungsweise elektrischer Energie ausnutzen, für die preiswerte Bauteile in großer Vielfalt verfügbar sind.

Der Generator kann an einer Felge oder einem Reifen des Rades montiert sein. Beides ermöglicht gleichermaßen eine stabile Montage und effektive Energieausnutzung.

Bevorzugt ist der Steuerungseinrichtung eine Auswertungseinrichtung vorgeschaltet, welche mit dem Generator verbunden ist und anhand der elektrischen Leistung des Generators und deren zeitlicher Veränderung ein digitales oder kontinuierliches Raddrehungs-Signal errechnen kann, welches als Kriterium für den Betriebszustand des Fahrzeugs dient. Das Energieangebot des Generators wird dabei mit dem der jeweiligen Anwendung am besten angemessenen Kriterium dahingehend bewertet, ob das Fahrzeug in Betrieb ist. Das kontinuierliche Signal kann auch über seine Funktion als Kriterium für den Betriebszustand hinaus weitere Verwendung finden.

Vorteilhafterweise weist die elektrische Energiequelle eine Batterie und einen wiederaufladbaren Energiespeicher auf, wobei der Generator nur mit dem wiederaufladbaren Energiespeicher und nicht mit der Batterie verbunden ist. Dies trennt die Funktionalitäten der Grundversorgung mittels Batterie und der zusätzlichen Versorgung über den Generator, dessen Energieproduktion für späteren Verbrauch gepuffert wird. Die beiden Elemente der Energiequelle können ihren unterschiedlichen Anforderungen optimal angepasst werden.

In vorteilhafter Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der Leistung des Generators weitere Charakteristika der Radbewegung ermittelt, insbesondere die Raddrehzahl, die Fliehkraft oder die Intensität der Vibrationen des Rades. Diese Kriterien können einerseits die Genauigkeit erhöhen, den Betriebszustand des Fahrzeugs festzustellen. Andererseits werden Parameter ermittelt, die parallel dazu genutzt werden können, den Bedienkomfort und die Sicherheit des Fahrzeugs zu erhöhen.

Bevorzugt wird die Funkmeldung außerdem verwendet, um die Position des Rades an dem Fahrzeug zu ermitteln. Ein Bezug zwischen der Information über die physikalische Überwachungsgröße und der genauen Position des überwachten Rades verstärkt deutlich die mit der Überwachung der physikalischen Größe an sich schon einhergehenden Sicherheits-, Wartungs- und Komfortvorteile.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine schematische Darstellung der Anordnung bestehend aus fahrzeugseitiger Elektronik und an jedem Rad montierten erfindungsgemäßen Vorrichtungen und
2 ein Diagramm des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die an einem Rad montiert wird.
1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit vier Rädern 10, welches eine erfindungsgemäße Anordnung zur Überwachung einer physikalischen Größe aufweist. In jedem Rad 10 ist eine Erfassungsvorrichtung 20 zur Ermittlung von Daten über die physikalische Überwachungsgröße und zum Senden dieser Daten an das Fahrzeug vorgesehen. Die Erfassungsvorrichtung 20 wird unten im Zusammenhang mit 2 genauer beschrieben.
Ein fahrzeugseitig angebrachter Empfänger 30 empfängt die Daten und ist an eine fahrzeugseitige Auswertungseinrichtung 40 angeschlossen, die gewöhnlich Teil des fahrzeugeigenen elektronischen Steuerungssystems (ECU) ist. Der prinzipielle Aufbau einer aus radseitiger Erfassungsvorrichtung 20 und fahrzeugseitigem Empfänger 30 mit Auswertungseinrichtung 40 bestehenden Anordnung ist dem Fachmann geläufig. Es ist auch offensichtlich, dass die Erfindung hier nur beispielhaft an einem vierrädrigen PKW beschrieben wird, sich aber auch für beliebige andere Radfahrzeuge verwenden lässt.
2 zeigt den Aufbau der Erfassungsvorrichtung 20. Ein Sensor 21 ermittelt eine physikalische Überwachungsgröße, wie etwa den Reifendruck des Rades 10. Die ermittelten Daten werden an eine angeschlossene Steuerungseinrichtung 22 übertragen oder von dieser Steuerungseinrichtung 22 aktiv abgefragt. Über einen an die Steuerungseinrichtung 22 angeschlossenen Sender 23 werden die Daten dann in einer Funkmeldung gesendet, um von dem fahrzeugseitigen Empfänger 30 empfangen zu werden.
Eine Energiequelle 24 ist an Sensor 21, Steuerungseinrichtung 22 und Sender 23 angeschlossen, um die Versorgung mit elektrischer Energie sicherzustellen. Die Energiequelle 24 besteht aus einer Batterie 25 und einem wiederaufladbaren Energiespeicher 26. Dabei dient die Batterie 25 als Energiepuffer, wenn der wiederaufladbare Energiespeicher 26 die angeschlossenen Komponenten nicht ausreichend versorgen kann.
Ein Generator 27 speist erzeugte elektrische Energie in den Energiespeicher 26 ein. Dazu wandelt der Generator 27 mechanische Energie in Form von Vibrationen und/oder Reifenverformungen in elektrische Energie. Es eignet sich etwa ein piezoelektrisches Element des Generators 27, das zum Beispiel in Form einer piezoelektrischen Beschichtung eines Biegeelements (biegsamen Trägers) oder piezokeramischer Fasern vorliegen kann. Es ist grundsätzlich möglich, den Generator im Reifen oder auf der Felge des Rades 10 zu montieren. Ersteres ermöglicht ggf. eine höhere Energieausbeute, da der Reifen intensiveren Bewegungen unterliegt als die Felge, letzteres ist aber konstruktiv einfacher und zuverlässiger zu realisieren. Der Generator 27 bildet mit dem Energiespeicher 26 eine Hilfsenergieversorgung 28 zur Entlastung der Batterie 25 und zur Verlängerung von deren Lebensdauer.
Der Generator 27 ist so ausgelegt, dass er zugleich die Funktionalität eines Betriebsdetektors hat. Zu diesem Zweck ist er mit einer Auswertungseinrichtung 29 verbunden, welche der Steuerungseinrichtung 22 vorgeschaltet ist. Auch die Auswertungseinrichtung 29 wird von der angeschlossenen Energiequelle 24 versorgt.
Die Auswertungseinrichtung 29 bewertet das Energieangebot des Generators 27, nimmt also beispielsweise eine Messung der elektrischen Leistung vor, aus der sich schließen lässt, ob das Rad sich dreht und somit ob das Fahrzeug in Bewegung ist. Die Steuerungseinrichtung 22 empfängt ein dem Betriebszustand entsprechendes Signal der Auswertungseinrichtung 29 und trennt die Energiequelle 24 von dem Sensor 21 und/oder dem Sender 23, um Energie zu sparen, sofern das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Statt durch die beschriebene Trennung der Verbindung zu der Energiequelle 24 können Sensor 21 und/oder Sender 23 von der Steuerungseinrichtung 22 auch in einen Energiespar(Standby-)Modus versetzt werden.
Im Betrieb erzeugt der Generator 27 also einerseits Energie, sofern das Rad 10 in Bewegung ist. Zusätzlich zur reinen Energieversorgung kann das zeitlich veränderliche Energieangebot des Generators 27 als Sensorwert aufgefasst werden, mit dessen Hilfe bestimmt werden kann, ob sich das Rad in Drehbewegung befindet oder stillsteht.
Dabei können an sich bekannte Schaltungen/Algorithmen der Auswertungseinrichtung 29 das Energieangebot des Generators 27 bewerten und als Ausgangssignal z.B. ein digitales Entscheidungskriterium („dreht"/„dreht nicht") oder ein kontinuierlich veränderliches Signal liefern, welches etwa proportional der Raddrehzahl sein kann. Abhängig von diesem Sensorwert kann die Steuerungseinrichtung 22 einen Stromsparmodus der Radelektronik aktivieren oder deaktivieren.
Das Generatorsignal, also etwa die gemessene Leistung des Generators 27, kann als Eingangssignal der Auswertungseinrichtung 29 unmittelbar oder mittelbar nach Einspeisung in den Energiespeicher 26 verwendet werden.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
So sind weitere Variationen der beschriebenen Vorrichtung 20 möglich. So kann der Generator 27 statt des Piezoeffektes auch die Drehung des Rades selbst zur Energieerzeugung ausnutzen, also ein Dynamo sein.
Im Falle eines kontinuierlich veränderlichen Ausgangssignals der Auswertungseinrichtung 29 ist für eine weitere Nutzung des Signals beispielsweise die Übertragung dieses Ausgangssignals an die fahrzeugseitige Auswertungseinrichtung 40 möglich. Dort könnte das Ausgangssignal etwa für eine Zuordnung der Radelektronik zu einer Radposition weiterverarbeitet werden.
Weitere Informationen können ausgewertet oder einfach nur dem Benutzer angezeigt werden, so etwa wenn das Ausgangssignal proportional der Raddrehung, der Fliehkraft oder einem charakteristischen Wert der Radvibrationen (RMS-Wert, Root Mean Square) ist. Welche derartigen Werte die Auswertungseinrichtung 29 berechnen kann, hängt letztlich vom Typ des Generators 27 und den verwendeten Auswertungsalgorithmen ab.
Jedenfalls ergibt sich durch die Unterstützung der Batterie 25 durch den Generator 27 und den Energiespeicher 26 der Vorteil, dass die Batterie 25 eine wesentlich verlängerte Lebensdauer hat und/oder kleiner und kostengünstiger sein kann. Außerdem kann der bei bekannten Lösungen nötige Raddrehzahlschalter durch die Doppelfunktion des Generators 27 als Be triebsdetektor eingespart werden, den die Auswertungseinrichtung 29 kann selbstverständlich als reine Softwareumsetzung in die ohnehin vorhandenen Steuerungseinrichtung 22 integriert werden.

Claims

Vorrichtung (20) zur Überwachung einer physikalischen Größe, insbesondere des Reifendrucks, eines in einem Fahrzeug (1) montierten Rades (10), wobei die Vorrichtung an dem Rad (10) montierbar ist und folgendes aufweist: – eine elektrische Energiequelle (24), – einen Sensor (21) zum Ermitteln der physikalischen Überwachungsgröße, – einen Sender (23) zum Senden einer Funkmeldung, welche von dem Sensor gelieferte Daten enthält, – einen Betriebsdetektor (27) zur Erzeugung eines Betriebssignals, das anzeigt, ob das Fahrzeug (1) in Betrieb ist, sowie – eine Steuerungseinrichtung (22), welche an die Energiequelle (24) sowie Sensor (21), Sender (23) und Betriebsdetektor (27) angeschlossen und dazu ausgebildet ist, die Energiequelle (24) elektrisch von dem Sensor (21) und/oder dem Sender (23) zu trennen bzw. Sensor (21) und/oder Sender (23) in einen Energiesparmodus zu versetzen, um den Energieverbrauch zu reduzieren, wenn das Fahrzeug (1) nicht in Betrieb ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdetektor (27) zugleich ein Generator (27) ist, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und in die elektrische Energiequelle (24) einspeist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (27) ein mechanisch-elektrischer Wandler ist, der mechanische Energie aus Vibrationen und Verformungen des Rades (10) in elektrische Energie umwandelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (27) ein Piezoelement aufweist, insbesondere eine piezoelektrische Beschichtung oder piezokeramische Fasern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (27) ein mechanisch-elektrischer Wandler ist, der mechanische Energie aus einer Drehbewegung des Rades (10) in elektrische Energie umwandelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (27) an einer Felge oder einem Reifen des Rades (10) montiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungseinrichtung (22) eine Auswertungseinrichtung (29) vorgeschaltet ist, welche mit dem Generator (27) verbunden ist und anhand der elektrischen Leistung des Generators (27) und deren zeitlicher Veränderung ein digitales oder kontinuierliches Raddrehzahlsignal errechnet wird, welches als Kriterium für den Betriebszustand des Fahrzeugs (1) dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle (24) eine Batterie (25) und einen wiederaufladbaren Energiespeicher (26) aufweist, wobei der Generator (27) nur mit dem wiederaufladbaren Energiespeicher (26) und nicht mit der Batterie (25) verbunden ist.
Anordnung zur Überwachung einer physikalischen Größe, insbesondere des Reifendrucks, eines in einem Fahrzeug (1) montierten Rades (10), wobei die Anordnung folgendes aufweist: – eine an dem Rad (10) montierte Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 – einen fahrzeugseitig montierten Empfänger (30) für die Funkmeldung sowie – eine fahrzeugseitig montierte Auswertungsseinrichtung (40), welche mit dem Empfänger verbunden ist.
Verfahren zur Überwachung einer physikalischen Größe, insbesondere des Reifendrucks, eines in einem Fahrzeug (10) montierten Rades (10), an dem ein Sensor (21) und ein Sender (23) angebracht sind, wobei das Verfahren aufweist: – Ermitteln des Betriebszustandes des Fahrzeugs (1) anhand des Bewegungszustandes, wobei, sofern das Fahrzeug (1) in Betrieb ist, die physikalische Größe an dem Rad (10) von dem Sensor (21) gemessen und eine Funkmeldung, welche Informationen über die physikalische Größe aufweist, von dem Sender (23) gesendet wird und wobei, sofern das Fahrzeug (1) nicht in Betrieb ist, eine Energieversorgung des Sensors (21) und/oder des Senders (23) unterbrochen bzw. Sensor (21) und/oder Sender (23) in einen Energiesparmodus versetzt werden, um den Energieverbrauch zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass – mechanische Energie des Rades (10) in elektrische Energie umgewandelt und für den Betrieb des Sensors (21) und/oder des Senders (23) sowie möglicher weiterer elektrischer Komponenten an dem Rad (10) gespeichert wird und – die erzeugte Leistung der Energieumwandlung gemessen und als Kriterium verwendet wird, um den Betriebszustand des Fahrzeugs (1) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Leistung weitere Charakteristika der Radbewegung ermittelt werden, insbesondere die Raddrehzahl, die Fliehkraft oder die Stärke der Vibrationen des Rades (10).
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkmeldung verwendet wird, um die Position des Rades (10) an dem Fahrzeug (1) zu ermitteln.