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Die
Erfindung betrifft ein Reifenmodul zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen
in Reifen von Kraftfahrzeugen mit einer batteriebetriebenen Energieversorgungseinheit.
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In
modernen Kraftfahrzeugen werden vermehrt Vorrichtungen eingesetzt,
die Defekte und Fehlfunktionen verschiedener Bereiche im Kraftfahrzeug
frühzeitig erkennen und dem Fahrer melden. Dazu gehört
beispielsweise die Erfassung des Reifenluftdrucks, um Defekte oder
Unfälle, welche auf einen zu niedrigen Reifenluftdruck
zurückzuführen sind, zu vermeiden. Bei vielen
der bereits für diesen Zweck eingesetzten Systeme ist jeweils
ein Reifenmodul an jedem Rad, insbesondere im Inneren des Reifens,
angeordnet. Ein Reifenmodul umfasst meist mindestens einen Sensor
zur Erfassung eines Reifenparameters, insbesondere des Reifenluftdrucks, sowie
eine Sendeeinheit und gegebenenfalls eine zugeordnete Auswerteelektronik.
Die Versorgung der elektronischen Komponenten mit elektrischer Energie
kann beispielsweise durch eine Batterie, einen Mikrogenerator mit
piezoelektrischem Element oder eine Transponderspule erfolgen.
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Gegenüber
den relativ aufwändigen Systemen zur Energieversorgung
mit Mikrogeneratoren oder Transpondereinrichtungen stellt die Energieversorgung
mittels herkömmlicher Batterien die kostengünstigste
Möglichkeit dar. Ein derartiges batteriebetriebenes System
ist beispielsweise in der
DE
34 45 854 A1 beschrieben.
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Bei
der Verwendung einer Batterie zur Energieversorgung eines Reifenmoduls,
welches im Reifeninneren angebracht ist, muss sichergestellt sein, dass
die Batterie den auftretenden Belastungen während der gesamten
Lebensdauer des Reifens standhält.
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Während
der Lebensdauer des Reifens ist das Reifenmodul etwa 30–50
Millionen Umdrehungen und somit einer gleichen Anzahl von Latschdurchläufen
ausgesetzt. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten kann es pro Durchlauf
zu Wechselbeschleunigungen bis zu 5000 g kommen. Weiterhin können
bei Normaldruck des Reifens Biegungen der Lauffläche gegenüber
dem Normalzustand von bis zu 15° beobachtet werden, bei
Druckverlust des Reifens oder besonderen Belastungen, beispielsweise
Bordsteinauffahrten, kann die Biegung noch größer
sein.
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Daher
ist ein Modul, das im Innern der Reifens an der Innenfläche
angebracht ist, diesen Belastungen ausgesetzt, wobei besonders die
Wechselbeschleunigungen und die Durchbiegungen der Lauffläche
des Reifens bei den genannten besonderen Belastungen hohe Ansprüche
an die Robustheit des Reifenmoduls sowie an die Flexibilität
der Befestigung des Reifenmoduls im Reifen stellen.
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In
bekannten batteriebetriebenen Reifendruckkontrollsystemen wird eine
einzige Batterie zur Versorgung der Reifenmodule jedes Reifens eingesetzt,
da eine einzelne Batterie ein günstiges Verhältnis
aus Baugröße und Kapazität zur Verfügung
stellen kann. Zudem sind die Kosten für eine einzige Batterie
niedriger als für zwei oder mehr Zellen. Da allerdings
die mechanischen Belastungen, insbesondere aufgrund der auftretenden
Beschleunigungen, für die Reifenmodule und damit auch für
die Batterien sehr hoch sind, müssen die eingesetzten Batterien
besonders hohen Anforderungen hinsichtlich ihrer Belastbarkeit bei
Beschleunigungen genügen. Weiterhin sollen die Batterien
bei allen auftretenden Temperaturbedingungen zuverlässig
arbeiten. Üblicherweise werden zur Energieversorgung Lithium-Zellen
verwendet, die auf diese Anforderungen hin optimiert sind. Diese
Spezialbatterien werden jedoch nur in vergleichsweise geringen Stückzahlen
gefertigt und sind daher deutlich teurer als Standardbatterien vergleichbarer
Größe und Kapazität.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Reifenmodul zur
Anbringung im Inneren eines Reifens anzugeben, das besonders robust
und zuverlässig und zugleich leicht sowie kostengünstig und
einfach zu montieren ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst,
indem die Energieversorgung auf mehrere kleiner dimensionierte Batterien
aufgeteilt ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei bekannten
Reifenmodulen zur Erfassung von Reifenzustandsgrößen
in Reifen von Kraftfahrzeugen die Batterien der Energieversorgungseinheit besonderen
Anforderungen unterliegen, so dass sich in der Regel keine käuflichen
Standardbatterien verwenden lassen. Die Erfindung schlägt
nun vor, zwei oder mehr einzelne Batterien für die Energieversorgungseinheit
zu ver wenden. Auf diese Weise lassen sich die Anforderungen an die
einzelnen Batterien reduzieren, so dass insgesamt kostengünstigere
Bauteile eingesetzt werden können. Da die aus der Beschleunigung
resultierenden Kräfte, die auf die Batterie einwirken,
linear mit ihrer Masse ansteigen, lassen sich durch den Einsatz
kleinerer und leichterer Batterien die resultierenden Beschleunigungskräfte reduzieren. Ähnliche
Zusammenhänge gelten auch für die Temperaturresistenz.
Die Kräfte, die eine Dichtung aufnehmen kann, sind unabhängig
von der Batteriehöhe, da für unterschiedliche
Batteriehöhen gleiche Dichtungskonstruktionen verwendet
werden. Allerdings wirken nach der allgemeinen Gasgleichung bei
einer Batterie geringeren Volumens bei hohen Temperaturen geringere
Kräfte auf die Dichtung ein.
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Da
auf die beschriebene Weise bei Verwendung mehrerer kleinerer Batterien
unter ansonsten gleichen Randbedingungen die Belastungen auf die einzelnen
Batterien reduziert sind, lassen sich für Reifenmodule
sogar kostengünstige Standardbatterien oder nur leicht
modifizierte Batterien mit Standardgehäuse einsetzen. Auf
aufwändig verbesserte und damit relativ teure Spezialanfertigungen
für die Batterien kann weitgehend verzichtet werden. Da
Batterien in Standardgrößen im Bereich der Consumer-Elektronik
in sehr hohen Stückzahlen eingesetzt werden, sind sie sehr
preisgünstig verfügbar, auch in den für
die Reifensensorik benötigten relativ geringen Stückzahlen.
Zwei oder mehr Standard-Zellen sind weitaus kostengünstiger
als eine speziell für die Reifensensorik entwickelte und
optimierte Zelle.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die zwei oder mehr Batterien der Energieversorgungseinheit parallel
geschaltet sind. Werden zwei oder mehr Zellen eingesetzt, ist das Verhältnis
aus Kapazität und Batteriemasse ungünstiger als
bei der Verwendung nur einer großen Zelle. So kann z. B.
die Kapazität einer Batterie mit einem Durchmesser von
20 mm, einer Höhe von 3,2 mm und einer Masse von 3,0 g
einen Wert von ca. 220 mAh aufweisen, während die Kapazität
einer Batterie mit einem Durchmesser von 20 mm, einer Höhe
von 1,6 mm und einer Masse von 1,6 g nur ca. 80 mAh beträgt,
also deutlich weniger als die Hälfte bei ansonsten ungefähr
halber Größe und halber Masse. Die Gesamtkapazität
von zwei kleinen Batterien mit einer Gesamtmasse von 3,2 g beträgt
bei diesem Beispiel nur 160 mAh, während die größere
Batterie mit 3,0 g eine Kapazität von 220 mAh bieten kann.
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Bei
der Anwendung im Reifenmodul ist der Wert der Nominalkapazität
allerdings nicht alleine entscheidend. Die Nominalkapazität
wird bei Raumtemperatur mit einem großen Widerstand ermittelt, wobei
ein geringer Strom von beispielsweise 100 μA ständig
fließt. Die Abschaltspannung liegt dabei bei 2,0 V. Im
Reifen wird die Batterie allerdings aufgrund der zyklischen Sendevorgänge
impulsartig mit einem vergleichsweise hohen Strom von z. B. 10 mA
belastet. Diese Belastung findet bei unterschiedlichen Temperaturen
statt. Kritisch ist hierbei insbesondere das Verhalten der Batterien
bei tiefen Temperaturen von bis zu –40°C, da hier
der Innenwiderstand deutlich ansteigt und die Batterie den Sendestrom
unter Umständen nicht mehr aufbringen kann. Um dies zu verhindern,
sind den Batterien in solchen Einsatzgebieten oft mals Kondensatoren
zur Pufferung parallel geschaltet. Diese Kondensatoren verursachen
jedoch einen permanenten Leckstrom, was die Batterien zusätzlich
belastet.
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Beim
erfindungsgemäßen Reifenmodul kann vorzugsweise
auf die Pufferkondensatoren (oder den Pufferkondensator) verzichtet
werden, da sich das Tieftemperaturverhalten mit zwei oder mehr parallel geschalteten
Batterien deutlich verbessern lässt. Der den Batterien
entnehmbare Strom hängt in erster Linie von der Batteriefläche
ab und nicht von der Batteriehöhe oder der Kapazität.
Der Innenwiderstand kann somit bei Verwendung von zwei parallel
geschalteten Batterien Idealerweise halbiert werden. Die bei tiefen
Temperaturen verfügbare Kapazität ist somit bei
der Parallelschaltung von zwei oder mehr kleineren Zellen deutlich
größer als bei einer vergleichbaren Einzelzelle.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die zwei oder mehr Batterien der Energieversorgungseinheit
räumlich voneinander getrennt im Reifen angeordnet sind.
Eine solche Anordnung kann beispielsweise aus Gründen der
besseren Massenverteilung im rotierenden Reifen sinnvoll sein, oder
um geringere Aufbauhöhen des Reifenmoduls im Reifen realisieren
zu können. Die Bauhöhe des Reifenmoduls ist aus
Gründen der Belastung bei auftretenden Beschleunigungen,
insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und Wechselbeschleunigungen, möglichst
gering zu halten, um die auftretenden Hebelkräfte zu minimieren.
Daher sind die möglichst flachen Batterien zweckmäßigerweise
getrennt voneinander angeordnet und nicht gestapelt. Mehrere kleinere
Einheiten lassen sich zudem besser und zuverlässiger im
Reifeninneren verankern, beispielsweise durch Verkleben oder Einvulkanisieren,
ohne dass die Gefahr besteht, dass sich einzelne Teile lösen. Bei
Verwendung mehrerer kleinerer Batterien lassen sich diese beispielsweise
getrennt vom eigentlichen Reifenmodul unterbringen und befestigen.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die
Batterien gekapselt sind. Die Batterien können im Reifeninneren
beispielsweise mit einer Gießmasse umhüllt sein.
Auf diese Weise lassen sich die verwendeten Batterien noch besser
an die Anforderungen in Reifensensorik-Systemen anpassen. Ein harter
Verguss im Reifeninneren kann beispielsweise die Dichtung der Zellen
von außen unterstützen, wodurch die Zelle robuster
gegen mechanische Einwirkungen sowie gegen hohe Temperaturen wird.
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Beim
gestapelten Aufbau zweier oder mehrerer Zellen (Sandwich-Bauweise)
kann vorteilhafterweise zwischen einer Mehrzahl von Batterien jeweils ein
mit Gas oder einem anderen komprimierbaren Material gefülltes
Volumen zur möglichen Ausdehnung der einzelnen Batterien über
die Temperatur vorgehalten werden. Die Dichtungen der Zellen sollten
dabei durch eine geeignete Vergussmasse umschlossen sein.
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Weiterhin
können die Batterien hochtemperaturfeste Separatoren aufweisen.
Die Kosten für die einzelnen Batterien werden hierdurch
nur unwesentlich erhöht, da weiterhin dieselben Fertigungsanlagen
wie bei Standardzellen eingesetzt werden können.
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Ein
weiterer Vorteil des Einsatzes mehrerer parallel geschalteter Batterien
in einem Reifenmodul liegt in der Redundanz, da beim Ausfall eine
Zelle die Spannungsversorgung über die verbleibende Zelle erhalten
werden kann. Das Reifenmodul kann zudem eine Einrichtung zur Erkennung
eines Defekts und/oder eines Ausfalls einer der Batterien aufweisen,
so dass beispielsweise die Sendeleistung des Reifenmoduls reduziert,
die Abstände zwischen zwei Sendeimpulsen vergrößert
oder das System sogar zeitweise abgeschaltet werden kann. Von Vorteil kann
es auch sein, wenn das Reifenmodul eine Einrichtung zur Übermittlung
eines Defekt- und/oder Ausfallsignals an eine Auswerteeinheit des
Fahrzeugs aufweist. Auf diese Weise kann im Fahrzeugsystem auf einen
Defekt reagiert werden, beispielsweise durch die Übertragung
eines entsprechenden Signals. Das System bleibt dabei jedoch voll
funktionsfähig.
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Vorteilhafterweise
findet das Reifenmodul in einem Reifendrucküberwachungssystem
in einem Kraftfahrzeug Verwendung.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Darin zeigt die Figur in schematischer
Darstellung ein erfindungsgemäßes Reifenmodul.
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Die
Figur zeigt in perspektivischer Darstellung einen Reifenausschnitt 10 mit
einem Reifenmodul 12, das auf der Reifeninnenseite 14 angeordnet ist.
Das Reifenmodul 12 weist u. a. einen Transponder mit einem
aktiv sendenden Element und einen Speicher auf, der reifenspezifische
Daten speichern, verarbeiten und an fahrzeuginterne oder -externe Empfänger
weiterleiten kann. Das Reifenmodul 12 ist somit Teil eines
Reifenzustands-Überwachungssystems eines Kraftfahrzeuges
(nicht dargestellt).
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Das
Reifenmodul 12 weist eine Energieversorgungseinheit 16 auf.
Hierzu ist das Reifenmodul 12 mit zwei Batterien 18 und 20 gekoppelt,
die in Parallelschaltung angeordnet sind. Als Batterien 18 und 20 werden
vorzugsweise Standardbauteile verwendet, die aufgrund ihrer reduzierten
Baugröße den im Reifen auftretenden Belastungen
besser standhalten können. Auf diese Weise lassen sich
die Anforderungen an die einzelnen Batterien 18, 20 reduzieren,
so dass insgesamt kostengünstigere Bauteile eingesetzt
werden können. Da die aus der Beschleunigung resultierenden
Kräfte, die auf die Batterien 18, 20 einwirken,
linear mit ihrer Masse ansteigen, lassen sich durch den Einsatz
kleinerer und leichterer Batterien 18, 20 die
resultierenden Beschleunigungskräfte reduzieren. Ähnliche
Zusammenhänge gelten auch für die Temperaturresistenz,
da bei einer Batterie geringeren Volumens bei hohen Temperaturen
geringere Kräfte auf die Dichtung einwirken. Auf aufwändig
verbesserte und damit relativ teure Spezialanfertigungen für
die Batterien kann weitgehend verzichtet werden.
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Anstelle
von Batterien können in besonderen Ausführungsvarianten
auch weideraufladbare Akkumulatoren oder Kondensatoren Verwendung
finden, wobei sich dann das elektronische Verhalten gegenüber
der Verwendung von Batterien ändern kann.
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Die
zwei oder mehr Batterien 18 und 20 der Energieversorgungseinheit 16 sind
parallel geschaltet. Werden zwei oder mehr Zellen eingesetzt, ist
das Verhältnis aus Kapazität und Batteriemasse
ungünstiger als bei der Verwendung nur einer großen
Zelle. Bei der Anwendung im Reifenmodul ist der Wert der Nominalkapazität
allerdings nicht alleine entscheidend. Die Nominalkapazität
wird bei Raumtemperatur mit einem großen Widerstand ermittelt,
wobei ein geringer Strom fließt. Im Reifen wird die Batterie
allerdings aufgrund der zyklischen Sendevorgänge impulsartig
mit einem vergleichsweise hohen Strom belastet. Diese Belastung
tritt bei unterschiedlichen Temperaturen auf. Das Tieftemperaturverhalten
ist bei zwei oder mehr parallel geschalteten Batterien 18, 20 deutlich
verbessert. Da der den Batterien entnehmbare Strom in erster Linie
von der Batteriefläche abhängt und nicht von der
Batteriehöhe oder der Kapazität, kann der Innenwiderstand
bei Verwendung von zwei parallel geschalteten Batterien deutlich
reduziert werden. Die bei tiefen Temperaturen verfügbare
Kapazität ist somit bei der Parallelschaltung von zwei
oder mehr kleineren Zellen deutlich größer.
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Wie
in der Figur angedeutet, können die zwei oder mehr Batterien 18, 20 der
Energieversorgungseinheit 16 räumlich voneinander
getrennt im Reifen 10 angeordnet sein. Eine solche Anordnung
kann beispielsweise aus Gründen der besseren Massenverteilung
im rotierenden Reifen sinnvoll sein, oder um geringere Aufbauhöhen
des Reifenmoduls 12 im Reifen realisieren zu können.
Daher sind die relativ flachen Batterien 18, 20 zweckmäßigerweise
getrennt voneinander angeordnet und nicht gestapelt. Mehrere kleinere
Einheiten lassen sich zudem besser und zuverlässiger im
Reifeninneren 14 verankern, beispielsweise durch Verkleben
oder Einvulkanisieren, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich einzelne
Teile lösen. Bei Verwendung mehrerer kleinerer Batterien 18, 20 lassen
sich diese beispielsweise getrennt vom eigentlichen Reifenmodul 12 unterbringen
und befestigen.
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- 10
- Reifenausschnitt
- 12
- Reifenmodul
- 14
- Reifeninnenseite
- 16
- Energieversorgungseinheit
- 18
- erste
Batterie
- 20
- zweite
Batterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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