DE102015201159A1

DE102015201159A1 - Systeme und Verfahren zur Leistungserzeugung für eine elektrische Baugruppe eines Kraftfahrzeugs

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Publication number: DE102015201159A1
Application number: DE102015201159.3A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud A. ABOU-NASR; Dimitar Petrov Filev; Cynthia Mowery Flanigan; David Scott Rohweder; Janice Lisa Tardiff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2035-01-24
Also published as: US9344011B2; DE102015201159B4; US20150222204A1

Abstract

Ein System zur Leistungserzeugung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs enthält möglicherweise wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element, das an einen Reifen eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Das System enthält möglicherweise weiterhin wenigstens eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, von dem wenigstens einen den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Element erzeugte elektrische Energie zu akkumulieren und die akkumulierte elektrische Energie wenigstens einer am Reifen montierten Unterbaugruppe zuzuführen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Systeme und Verfahren, um Leistung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs zu erzeugen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Systeme und Verfahren, um Leistung für eine elektrische Unterbaugruppe zu erzeugen, die an einem Rad/Reifen eines Fahrzeugs montiert ist.
Es ist schwierig, Leistung aus der Hauptleistungsversorgung eines Kraftfahrzeugs einer elektrischen Komponente oder Unterbaugruppe zuzuführen, die innerhalb eines rotierenden Körpers des Fahrzeugs angeordnet ist (z. B. in einem Rad, einem Reifen oder einer Felge des Fahrzeugs). Dementsprechend erfordern Technologien, zu denen zum Beispiel Reifendrucküberwachungssysteme (TPMS, Tire Pressure Monitoring Systems), aktive Fahrbahnprofilanalysesysteme, Reifenverschleißindikatoren, aktive Luftkompressionseinrichtungen und/oder Beschleunigungssensoren zählen, zum Betrieb im Allgemeinen eine örtliche Energiequelle. Solche Technologien werden herkömmlich zum Beispiel über Batterien mit Leistung versorgt, die sich im Inneren der Rad-/Reifenbaugruppe befinden. Größen- und Gewichtsvorgaben schränken allerdings im Allgemeinen die Größe und/oder die Anzahl der Batterien, die verwendet werden können, und die folgende Leistungsmenge, die den Unterbaugruppen durch die Batterien zugeführt werden kann, ein. Weiterhin weisen Batterien eine endliche Lebensdauer auf und müssen schließlich möglicherweise ersetzt werden, was Abfall erzeugt und möglicherweise schwierig und/oder teuer ist.
Es kann daher möglicherweise von Vorteil sein, eine örtliche Energiequelle (z. B. im Innern der Rad-/Reifenbaugruppe) bereitzustellen, die Leistung für solche elektrischen Unterbaugruppen erzeugen kann. Verschiedene Energy-Harvesting-Mechanismen sind entwickelt worden, die mechanische Energie in elektrische Energie wandeln können, zum Beispiel über piezoelektrische, elektromagnetische und/oder Elektroden-Dielektrikum-Bauelemente. Solche Energy-Harvesting-Mechanismen sind allerdings in ihrer Leistungserzeugung (z. B. durch die mechanischen Kräfte, die erfasst werden können) und in ihrer baulichen Gestaltung eingeschränkt. Piezoelektrische Technologien verwenden zum Beispiel im Allgemeinen eine Energy-Harvesting-Einrichtung mit Auslegerarmen, die darauf eingeschränkt ist, eine Biegebeanspruchung des Arms zu erfassen, wenn sich der Reifen dreht. Elektroden-Dielektrikum-Technologien enthalten möglicherweise dehnbare Energy-Harvesting-Einrichtungen, die an einer Seitenfläche des Reifeninneren angebracht sind und die auf spezielle Geometrien eingeschränkt sind, die kleiner als eine Kontaktfläche des Reifens mit der Fahrbahn sind, um eine im Reifen stattfindende Dehnung zu erfassen.
Es ist daher möglicherweise von Vorteil, einen Energy-Harvesting-Mechanismus innerhalb der Rad-/Reifenbaugruppe bereitzustellen, der ein breites Spektrum mechanischer Kräfte und Verschiebungen nutzen kann, um ein breites Spektrum elektrischer Ströme und Spannungen zu erzeugen. Es ist möglicherweise auch von Vorteil, einen Energy-Harvesting-Mechanismus innerhalb der Rad-/Reifenbaugruppe bereitzustellen, der möglicherweise verschiedene Konfigurationen und/oder Geometrien aufweist, um sowohl bauliche Flexibilität als auch Leistungsmaximierung bereitzustellen. Es ist möglicherweise weiterhin von Vorteil, Systeme und Verfahren zum Erzeugen von Leistung bereitzustellen, die solche Energy-Harvesting-Mechanismen nutzen, um an einem Reifen des Fahrzeugs montierte Unterbaugruppen mit Leistung zu versorgen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen stellt die vorliegende Offenbarung ein System zur Leistungserzeugung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs bereit. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält ein System zur Leistungserzeugung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs möglicherweise wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element, das an einen Reifen des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Das System enthält möglicherweise weiterhin wenigstens eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, von dem wenigstens einen, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Element erzeugte elektrische Energie zu akkumulieren, und die akkumulierte elektrische Energie wenigstens einer am Reifen montierten Unterbaugruppe zuzuführen.
Gemäß verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zur Leistungserzeugung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs möglicherweise das Erzeugen eines elektrischen Stroms über wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element, das an einen Reifen des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Das Verfahren beinhaltet möglicherweise weiterhin, wenigstens eine mit dem Reifen verknüpfte Unterbaugruppe mit dem elektrischen Strom zu versorgen.
Gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zur Montage eines Systems zur Leistungserzeugung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs möglicherweise das Einbetten wenigstens eines den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Elements in einem Reifen des Kraftfahrzeugs. Das Verfahren enthält möglicherweise auch das Koppeln des wenigstens einen, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Elements mit wenigstens einer Steuerung, die dazu ausgelegt ist, von dem wenigstens einen, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Element erzeugte elektrische Energie zu akkumulieren und die akkumulierte elektrische Energie wenigstens einer am Reifen montierten Unterbaugruppe zuzuführen.
Zusätzliche Gegenstände und Vorteile der Offenbarung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt werden und werden zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch Umsetzen der Offenbarung in Erfahrung gebracht werden. Die Gegenstände und Vorteile der Offenbarung werden mittels der Elemente und Kombinationen, die besonders in den beigefügten Ansprüchen aufgezeigt werden, umgesetzt und erreicht werden.
Es versteht sich, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft und erklärend sind und nicht die beanspruchte Offenbarung begrenzen.
Die zugehörigen Zeichnungen, die in diese Patentschrift miteinbezogen sind und einen Teil von ihr bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Offenbarung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erklären.
Wenigstens einige Merkmale und Vorteile werden sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen, die mit diesen konsistent ist, ergeben, wobei die Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen betrachtet werden sollte:
1 ist eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Reifens mit einem Ausführungsbeispiel eines Systems zur Leistungserzeugung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Detailansicht des geschichteten Aufbaus des Reifens aus 1;
3 ist ein elektrisches Blockschaltbild, das das Leistungserzeugungssystem aus 1 veranschaulicht;
4 ist eine schematische explodierte Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Elements gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Reifens und des Systems aus 1;
6 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Reifens mit einem anderen Ausführungsbeispiel eines Systems zur Leistungserzeugung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7 ist eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Reifens mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel eines Systems zur Leistungserzeugung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
Die 8A–8C zeigen verschiedene schematische Ansichten, die unterschiedliche Geometrien von Reverse-Electrowetting-Betätigungsmechanismen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen; und
9 ist eine schematische Detailansicht, die den Reverse-Electrowetting-Betätigungsmechanismus der Geometrie aus 8C veranschaulicht.
Obwohl in der folgenden ausführlichen Beschreibung Bezug auf veranschaulichte Ausführungsformen genommen wird, werden sich für Fachleute viele Alternativen, Modifikationen und Varianten davon ergeben. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass der beanspruchte Gegenstand umfassend angesehen werden soll.
Nun wird ausführlich Bezug auf verschiedene Ausführungsformen genommen, für die Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen veranschaulicht werden. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele sollen die Offenbarung nicht einschränken. Im Gegenteil: Die Offenbarung soll Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen werden in der vorliegenden Offenbarung Systeme und Verfahren zur Leistungserzeugung für eine Fahrzeugunterbaugruppe, die mit einem rotierenden Körper eines Kraftfahrzeugs verknüpft ist, in Betracht gezogen, wie zum Beispiel für eine an einem Reifen des Fahrzeugs montierte Unterbaugruppe. Zum Beispiel nutzen die hier beschriebenen Ausführungsformen möglicherweise ein oder mehrere Energy-Harvesting-Elemente, die mit dem Reifen gekoppelt sind, um mechanische Energie aus den verschiedenen mechanischen Kräften und Verschiebungen, die auf den Reifen wirken (die z. B. Verformung und Schwingung des Reifens bewirken, wenn der Reifen sich dreht), in elektrische Energie umzuwandeln. Zum Beispiel werden in verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen Folgende in Betracht gezogen: ein System zur Leistungserzeugung, das wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element umfasst, das mit einem Reifen des Kraftfahrzeugs und wenigstens einer Steuerung gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist, von dem wenigstens einen, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Element erzeugte elektrische Energie zu akkumulieren und die akkumulierte elektrische Energie wenigstens einer am Reifen montierten Unterbaugruppe zuzuführen, und Verfahren, die solche Systeme nutzen.
Wie Durchschnittsfachleute verstehen, bezeichnet Electrowetting ein Phänomen, bei dem elektrische Energie durch eine elektrisch induzierte Änderung der Benetzbarkeit einer dielektrischen Oberfläche in mechanische Energie von Flüssigkeitsbewegung umgewandelt wird. Reverse Electrowetting bezeichnet demzufolge ein Konzept, bei dem der Electrowetting-Prozess in der umgekehrten Richtung betrieben wird, um mechanische Energie von Flüssigkeitsbewegung in elektrischen Strom umzuwandeln. Wie ausführlich in Krupenkin et al. „Reverse electrowetting as a new approach to high-power energy harvesting", Nature Communications vom 23. August 2011 („Der Nature- Artikel") beschrieben wird, dessen gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, umfasst das Phänomen des Reverse Electrowetting das Erzeugen von Energie über die Interaktion von Arrays aus sich bewegenden mikroskopischen Fluidtröpfchen (z. B. eines leitfähigen Fluids) mit einer Elektrode (z. B. einer Mehrschichtfolie, die eine Elektrode und ein Dielektrikum umfasst). Die Fluidtröpfchen und die Elektrode sind mit einer externen elektrischen Schaltung verbunden, die eine konstante Vorspannung zwischen den Tröpfchen und der Elektrode bereitstellt. Es wird dann eine externe mechanische Betätigung verwendet, um die Tröpfchen auf solch eine Art und Weise zu bewegen, dass eine Verringerung der Tröpfchenüberlappung mit der Elektrode erzwungen wird. Diese Verringerung in der Überlappung führt zu einer Verringerung der Gesamtladung, die an der Flüssig-/Fest-Grenzfläche des Tröpfchens aufrechterhalten werden kann. Die überschüssige Ladung strömt dann durch die elektrische Schaltung zurück, die die Tröpfchen und die Elektrode verbindet, was einen elektrischen Strom erzeugt.
Wie in den 8A–8C veranschaulicht wird, werden die leitfähigen Fluidtröpfchen möglicherweise über verschiedene Mechanismen und in einer Reihe von unterschiedlichen Geometrien betätigt oder bewegt, einschließlich zum Beispiel out-of-plane Schwingung, bei der die Tröpfchen zwischen oszillierenden Platten positioniert sind (siehe 8A), in-plane Scherung, bei der die Tröpfchen zwischen Gleitplatten positioniert sind (siehe 8B) und/oder in-channel Tröpfchenbewegung, bei der ein Druck auf die Tröpfchen aufgebracht wird (siehe 8C). Um das oben genannte Konzept des Reverse Electrowetting weiter zu erklären, wird der Betätigungsmechanismus der beispielhaften Geometrie aus 8C nachstehend unter Bezugnahme auf 9 erklärt.
Wie in den 8C und 9 veranschaulicht wird, sind leitfähige Fluidtröpfchen innerhalb eines Kanals eingeschlossen, der von mit Dünnschichtdielektrikum beschichteten Elektroden überlagert ist. Wenn Druck aufgebracht und entfernt wird, bewegen sich die Tröpfchen in die Ausrichtung und aus der Ausrichtung zu den elektrisierten Elektroden. Diese Bewegung ändert die Menge der elektrischen Ladung an den Elektroden, was bewirkt, dass elektrischer Strom fließt, wie in 9 gezeigt wird.
Demzufolge bezieht sich der Begriff „den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element“, wie er hier verwendet wird, auf jede Art und/oder Konfiguration von Energy-Harvesting-Element, -Einrichtung und/oder -Komponente, die den oben beschriebenen Reverse-Electrowetting-Mechanismus nutzen, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nutzt zum Beispiel möglicherweise ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element, das mit einem Reifen eines Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, den oben beschriebenen Reverse-Electrowetting-Mechanismus, um die mit den zyklischen Volumenverformungen und Schwingungen des Reifens verknüpfte mechanische Energie nutzbar zu machen (d. h. wenn der Reifen durch eine Kontaktfläche mit der Fahrbahn rollt) und diese mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Weiterhin werden in der vorliegenden Offenbarung den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Energy-Harvesting-Elemente in Betracht gezogen, die irgendeinen Betätigungsmechanismus und/oder eine Geometrie aufweisen, der bzw. die unter Durchschnittsfachleuten bekannt ist, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, die oben in Bezug auf die 8A–8C beschriebenen beispielhaften Geometrien.
1 ist eine schematische perspektivische Querschnittsansicht eines Reifens 1 mit einem Ausführungsbeispiel eines Systems 100 zur Leistungserzeugung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wie in 1 veranschaulicht wird, ist der Reifen 1 ein schlauchloser Radialreifen, der zum Beispiel durch eine Felge 7 und ein Rad (nicht dargestellt) an einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) gehalten wird. Der Reifen 1 weist verschiedene Schichten auf, einschließlich zum Beispiel einer Lauffläche 2, einer Gewebelage 3, Stahlgürtelschichten 4A und 4B und einer Innenisolierung 5, wie sie zum Beispiel am besten in der ausführlichen Ansicht in 2 veranschaulicht werden.
Wie in den 1 und 3 veranschaulicht wird, enthält das System 100 zur Leistungserzeugung wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element 102, das mit dem Reifen 1 und wenigstens einer Steuerung 120 (dargestellt innerhalb eines Gehäuses 101 in 1) gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist, vom Harvesting-Element 102 erzeugte elektrische Energie zu akkumulieren und die akkumulierte elektrische Energie wenigstens einer Unterbaugruppe 130, 140 zuzuführen, die am Reifen 1 montiert ist. Unter Bezugnahme auf 1 enthält das den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Energy-Harvesting-Element 102 in verschiedenen Ausführungsformen möglicherweise zum Beispiel wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Pad 103, das innerhalb des Reifens 1 eingebettet ist. Wie in 4 gemäß dem oben beschriebenen Reverse-Electrowetting-Mechanismus gezeigt wird, enthält das den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Pad 103 in verschiedenen Ausführungsbeispielen möglicherweise eine mit Dünnschichtdielektrikum beschichtete Elektrode 104, eine elastische Abstandsschicht 106 und ein Array 108 aus leitfähigen Fluidtröpfchen 110.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1: Um die größtmögliche Menge an Dehnung zu erfassen, umfasst das den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Pad 103 möglicherweise in verschiedenen Ausführungsformen ein einzelnes durchgehendes, dehnbares Pad, das sich um eine Rotationsachse des Reifens 1 erstreckt (siehe 5) und das zwischen der Lauffläche 2 und der Gewebelage 3 des Reifens 1, zum Beispiel bei der Herstellung des Reifens 1, platziert wird (siehe Grenzfläche A in 2). In der vorliegenden Offenbarung wird allerdings das Einbetten des den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Pads 103 an verschiedenen Stellen innerhalb des Reifens 1 in Betracht gezogen, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, an einer oder mehreren Grenzflächen A, B (zwischen der Gewebelage 3 und dem Stahlgürtel 4A), C (zwischen den Stahlgürteln 4A und 4B) und/oder D (zwischen dem Stahlgürtel 4B und der Innenisolierung 5), die in 2 gezeigt werden.
Weiterhin wird in der vorliegenden Offenbarung ein System 100 zur Leistungserzeugung in Betracht gezogen, das irgendeine Anzahl und/oder Konfiguration (d. h. Abmessung und/oder Geometrie) von den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Pads 103 enthält, die innerhalb des Reifens 1 eingebettet sind, zum Beispiel auf Basis der vorgeschlagenen Anwendung (d. h. den Arten von mechanischen Kräften, die erfasst werden sollen) und der Sollleistungsmenge. Durchschnittsfachleute werden daher verstehen, dass das in den 1–5 veranschaulichte System 100 lediglich beispielhaft ist und eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen soll. Dementsprechend weisen Leistungserzeugungssysteme gemäß der vorliegenden Offenbarung möglicherweise verschiedene Arten, Anzahlen, Konfigurationen und/oder Anordnungen von den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Elementen (z. B. Pads) und Steuerungen auf, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung und den Ansprüchen abzuweichen, und sie sind nicht durch irgendwelche speziellen Pad-Positionierungsanforderungen und/oder -geometrien gebunden. Obwohl zum Beispiel das unter Bezugnahme auf die 1–5 veranschaulichte und beschriebene System 100 ein einzelnes durchgehendes, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Pad 103 enthält, wie in 6 gezeigt wird, wird in verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein System in Betracht gezogen, das mehrere den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Pads 103 aufweist, die um die Rotationsachse des Reifens 1 angeordnet sind. Weiterhin wird zur Vereinfachung der Anwendung, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben wird, in verschiedenen weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein System in Betracht gezogen, bei dem das den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Energy-Harvesting-Element an eine Innenfläche des Reifens 1 angehaftet wird (siehe Grenzfläche E in 2).
Die Energy-Harvesting-Elemente der vorliegenden Offenbarung gestatten daher erhöhte Flexibilität bei Gestaltung und Positionierung von Elementen innerhalb des Systems (d. h. weil die Elemente nicht durch spezielle Geometrien gebunden sind). Weiterhin sorgen solche Energy-Harvesting-Elemente möglicherweise auch für Flexibilität beim Herstellungsprozess, weil sie auch Möglichkeiten zur Bindung der Elemente innerhalb der Reifenschichten gewähren.
Unter Bezugnahme auf 3: Die Steuerung 120 akkumuliert elektrische Energie, die von dem den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Pad 103 erzeugt wird, und führt die akkumulierte Energie wenigstens einer, am Reifen 1 montierten Unterbaugruppe zu, wie zum Beispiel einem Reifendrucküberwachungssystem (TPMS) 130 und/oder einem aktiven Reifendruckausgleichssystem (AACS, Active Air Compensation System) 140, um das jeweilige System mit Leistung zu versorgen. Die Steuerung 120 enthält möglicherweise zum Beispiel eine vorhandene Fahrzeugsteuerung oder eine zweckgebundene Steuerung, oder das Steuern wird möglicherweise auf mehr als eine Fahrzeugsteuerung aufgeteilt, wie ein Durchschnittsfachmann verstehen wird.
Wie in 3 gezeigt wird, enthält das System 100 möglicherweise weiterhin einen Gleichrichter 125, wie zum Beispiel einen Vollweggleichrichter, der dazu ausgelegt ist, die von dem den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Pad 103 erzeugte elektrische Energie aus einem Wechselstrom in einen Gleichstrom zu wandeln und den gewandelten Strom der Steuerung 120 zuzuführen. Die Steuerung 120 akkumuliert daher möglicherweise Energie aus dem Pad 103 zum Beispiel über Leitungen 114, die mit dem Pad 103 verbunden sind (siehe 1). Eine Eingangsseite des Gleichrichters 125 ist über die Leitungen 114 mit dem den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Pad 103 verbunden, und die Ausgangsseite des Gleichrichters 125 ist mit der Steuerung 120 verbunden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die Steuerung möglicherweise eine Speichereinheit 122, eine CPU 124 und eine intelligente Leistungsversorgungs-Steuereinheit 126, die dazu ausgelegt ist, die akkumulierte Energie aus dem den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Pad 103 sowohl zu regeln als auch zu glätten. In verschiedenen Ausführungsformen enthält die Steuereinheit 126 möglicherweise einen elektrischen Schalter und eine Leistungsversorgungsschaltung vom Hochsetztyp oder Ähnliches, die den elektrischen Schalter auf Basis eines Steuersignals aus der CPU 124 ein-/ausschalten kann, und dadurch die akkumulierte Energie in eine für den Schaltungsbetrieb der einen oder der mehreren, am Reifen 1 montierten Unterbaugruppen erforderliche Spannung wandelt. Die Steuerung 120 führt dann die resultierende Spannung möglicherweise der einen oder den mehreren Unterbaugruppen zu, wie zum Beispiel dem TPMS 130 und/oder dem AACS 140. Die Steuerung 120 führt dem TPMS 130 und/oder dem AACS 140 elektrische Leistung möglicherweise über irgendeine bei Durchschnittsfachleuten bekannte, drahtgebundene oder drahtlose Technik zu, einschließlich zum Beispiel über eine Antenne (nicht dargestellt), die sich innerhalb des Gehäuses 101 befindet. Die Steuerung 120 akkumuliert, speichert (d. h. in der Speichereinheit 122) und liefert möglicherweise kontinuierlich die Energie, die über das den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Pad 103 erzeugt wird, wenn das Fahrzeug gefahren wird (d. h. wenn sich das Fahrzeug bewegt und die Reifen sich drehen), wie Durchschnittsfachleute verstehen werden.
Wie oben gesagt, werden Durchschnittsfachleute ebenfalls verstehen, dass das unter Bezugnahme auf die 1–5 veranschaulichte und beschriebene System 100 lediglich beispielhaft ist und verschiedene Arten, Anzahlen und/oder Konfigurationen von den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Elementen und Steuerungen aufweisen kann, einschließlich zum Beispiel Steuerungen, die verschiedene zusätzliche Komponenten umfassen, die im Ausführungsbeispiel aus 3 nicht veranschaulicht werden.
7 ist zum Beispiel eine schematische perspektivische Querschnittsansicht des Reifens 1 mit einem anderen Ausführungsbeispiel eines Systems 200 zur Leistungserzeugung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das System 200 zur Leistungserzeugung enthält ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element 202, das mit dem Reifen 1 und wenigstens einer Steuerung (nicht dargestellt und in 7 innerhalb eines Gehäuses 201 positioniert) gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist, von dem Harvesting-Element 202 erzeugte elektrische Energie zu akkumulieren und die akkumulierte elektrische Energie wenigstens einer am Reifen 1 montierten Unterbaugruppe zuzuführen. Wie in 7 gezeigt wird, enthält das den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Energy-Harvesting-Element 202 möglicherweise wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Pad 203, das an eine Innenfläche des Reifens 1 gehaftet wird, zum Beispiel an eine Innenfläche 7 der Innenisolierung 5 des Reifens 1. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Pad 203 möglicherweise zum Beispiel ein einzelnes durchgehendes, dehnbares Pad, das sich um die Rotationsachse des Reifens 1 erstreckt. Obwohl es nicht gezeigt wird, umfasst das System in verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen möglicherweise mehrere den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Pads, die um die Rotationsachse des Reifens 1 angeordnet sind.
Das Pad 203 wird möglicherweise durch irgendein bei Durchschnittsfachleuten bekanntes Verfahren und/oder eine Technik an die Innenfläche 7 gehaftet, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, über ein Haftmittel und/oder einen Kleber, nachdem der Reifen 1 gehärtet worden ist.
Um die ungefähre Leistungsabgabe des oben beschriebenen beispielhaften Systems zu prognostizieren, wurden Berechnungen auf Basis der Leistungsabgaben durchgeführt, die im Nature-Artikel für einen in einer Schuhsohle eingebetteten Energy-Harvester berichtet wurden. Im Nature-Artikel wird zum Beispiel geschätzt, dass ein in einer Sohle eingebetteter, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzender Energy-Harvester mit einer Kontaktfläche (mit dem Boden) von 20 cm², der einer Verformung von 2 mm ausgesetzt wird, bis zu etwa 10 Watt Leistung erzeugen könnte. Dementsprechend wurde prognostiziert, dass ein Fahrzeugreifen, der eine größere Kontaktfläche (mit der Fahrbahn) aufweist und der einer zyklischen Verformung von einer größeren Intensität ausgesetzt wird, eine relativ große Leistungsmenge erzeugen könnte.

Wie in Tabelle 1 unten zusammengefasst wird, wurden Berechnungen durchgeführt, um die Leistungsabgabe in Watt (W) an einer Kontaktfläche mit der Fahrbahn sowohl für einen kleinen Reifen mit einer Breite von etwa 195 mm als auch für einen großen Reifen mit einer Breite von 275 mm zu prognostizieren. Auf Basis einer Annahme, dass das System ein durchgehendes, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Pad enthält, das an eine Innenfläche der Innenisolierung gehaftet ist (ähnlich 7) und das eine maximale Pad-Oberfläche im Bereich von 659,40 in² bis etwa 1318,80 in² aufweist (abhängig von der Größe des Reifens), die einer Verformung von etwa 4 mm ausgesetzt wird, wurde die Leistungsabgabe an der Kontaktoberfläche auf etwa 95,71 W für den kleinen Reifen und 222,9 W für den großen Reifen geschätzt. Tabelle 1: Prognostizierte Leistungsabgabe an der Kontaktoberfläche

	Felge (in)	Breite (mm)	Breite (in)	max. Oberfl. Reverse-Electrowetting Pad (in²)	Kontakt oberfl. (cm²)	Kontakt oberfl. (in²)	Leistungs abgabe an Kontakt oberfl. (W)
kleiner Reifen	15	185	7,28	659,4	191,42	29,67	95,71
großer Reifen	20	275	10,83	1318,8	445,81	69,1	222,9

Diese relativ große Leistungsabgabe ist möglicherweise auf Folgendes zurückzuführen: (1) die Fähigkeit des offenbarten Systems, die mit den zyklischen Dilatationsverformungen des Reifens verknüpfte mechanische Energie zu erfassen, anstatt nur die Schwingungsenergie des Reifens, und (2) die bauliche Flexibilität des Systems, durch die die Oberfläche der Energy-Harvesting-Elemente maximiert werden kann.
Dementsprechend kann mit den Systemen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung eine relativ große Menge an elektrischer Leistung erzeugt werden, um verschiedene, mit dem Kraftfahrzeug verknüpfte Systeme und Unterbaugruppen mit Leistung zu versorgen, einschließlich zum Beispiel das oben beschriebene TPMS und AACS. Die Systeme der vorliegenden Offenbarung werden zum Beispiel direkte Reifendrucküberwachung gestatten, ohne Sorge um die Schonung der Batterielebensdauer. Wenn eine Batterie verwendet wird, um ein TPMS mit Leistung zu versorgen, besteht immer die Sorge, wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, dass die Batterie gewartet (oder ersetzt) werden muss, weil die Hochfrequenz- (RF-, Radio Frequency) Übertragungen des TPMS eine große Leistungsmenge benötigen, um die Dämpfungswirkungen des Reifens zu überwinden. Wenn eine Batterie verwendet wird, übertragen viele Direktüberwachungssysteme dementsprechend keine Informationen, wenn sich der Reifen nicht dreht, und/oder sie begrenzen die Zeiten, zu denen der Reifendruck gemessen und übertragen wird, um Energie zu sparen und die Batterielebensdauer zu verlängern. Das Nutzen von Leistungserzeugungssystemen der vorliegenden Offenbarung kann daher die Sorge um die Batterielebensdauer beseitigen und eine kontinuierliche Messung des Reifendrucks der Räder des Kraftfahrzeugs ermöglichen.
Weiterhin können die Leistungserzeugungssysteme der vorliegenden Offenbarung auch genug elektrische Energie erzeugen, um eine aktive Reifendruckausgleichseinrichtung mit Leistung zu versorgen, um automatisch den Druck der Reifen aufrechtzuerhalten. Wenn zum Beispiel das TPMS detektiert, dass der Reifendruck niedrig ist, triggert in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung das Leistungserzeugungssystem möglicherweise eine Pumpe, die durch das AACS Luft in den Reifen gibt, bis der Sollreifendruck erreicht ist. Sobald der Sollreifendruck erreicht ist, schaltet das System möglicherweise das AACS aus.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Leistungserzeugung für eine Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird in der folgenden Beschreibung dargelegt. Ein elektrischer Strom kann über wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element 102, 202 erzeugt werden, das mit einem Reifen 1 des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, und wenigstens eine mit dem Reifen 1 verknüpfte Unterbaugruppe 130, 140 kann mit dem elektrischen Strom versorgt werden. Der elektrische Strom kann zum Beispiel über wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energie-Pad 103, 203 erzeugt werden. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Strom über ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energie-Pad 103 erzeugt werden, das innerhalb des Reifens 1 eingebettet ist. In verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen kann der Strom über ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Pad 203 erzeugt werden, das an eine Innenfläche 7 des Reifens 1 gehaftet wird.
Auf diese Art und Weise kann elektrischer Strom durch Erfassen von mit dem Reifen 1 verknüpfter mechanischer Energie erzeugt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann der elektrische Strom zum Beispiel aus der Dehnung erzeugt werden, die durch zyklische Verformung des Reifens 1 durch Rollkontakt zum Beispiel mit einer Fahrbahnoberfläche produziert wird. In verschiedenen zusätzlichen Ausführungsformen kann der elektrische Strom erzeugt werden, indem eine mechanische Schwingung des Reifens 1 in elektrische Energie umgewandelt wird. Wie oben erörtert worden ist, wird allerdings in der vorliegenden Offenbarung das Erzeugen des elektrischen Stroms über den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Energy-Harvesting-Elemente in Betracht gezogen, die verschiedene Betätigungsmechanismen und/oder -geometrien aufweisen, die durch verschiedene mechanische Kräfte und Verschiebungen angetrieben werden.
Wie oben weiterhin erörtert wird, gestattet es die Fähigkeit der beispielhaften Leistungserzeugungsverfahren, elektrischen Strom über ein breites Spektrum von mechanischen Kräften und Verschiebungen zu erzeugen, dass die Verfahren eine relativ große Leistungsmenge erzeugen, wie zum Beispiel etwa 95 Watt bis etwa 223 Watt Leistung an der Kontaktoberfläche, abhängig von der Größe des Reifens.
Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung versorgen daher möglicherweise verschiedene Unterbaugruppen des Fahrzeugs mit Leistung, einschließlich zum Beispiel verschiedene mit dem Reifen 1 verknüpfte Unterbaugruppen. In verschiedenen Ausführungsformen wird der von dem wenigstens einen den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Element 102, 202 erzeugte elektrische Strom möglicherweise dazu verwendet, ein mit dem Reifen 1 verknüpftes Reifendrucküberwachungssystem 130 und/oder ein aktives Reifendruckausgleichssystem 140 mit Leistung zu versorgen.
Während die vorliegende Offenbarung in Hinsicht auf Ausführungsbeispiele offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis der Offenbarung zu ermöglichen, versteht es sich, dass die Offenbarung auf verschiedene Weisen ausgeführt werde kann, ohne vom Prinzip der Offenbarung abzuweichen. Demzufolge sollte die Offenbarung so verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen beinhaltet, die ausgeführt werden können, ohne vom in den beigefügten Ansprüchen aufgeführten Prinzip der Offenbarung abzuweichen. Obwohl zum Beispiel die vorliegende Offenbarung in Bezug auf die Leistungserzeugung für mit einem rotierenden Körper des Fahrzeugs verknüpfte Fahrzeugunterbaugruppen erörtert worden ist, wie zum Beispiel an einem Reifen des Fahrzeugs montierte Unterbaugruppen (z. B. TPMS und AACS), werden Durchschnittsfachleute verstehen, dass die vorliegenden Lehren, wie sie offenbart wurden, ebenso gut funktionieren werden, um Leistung für andere Fahrzeugsysteme und -unterbaugruppen zu erzeugen. Obwohl die vorliegende Offenbarung weiterhin in Bezug auf Kraftfahrzeuge erörtert worden ist, werden Durchschnittsfachleute verstehen, dass die vorliegenden Lehren, wie sie offenbart wurden, ebenso gut für jede Art von Fahrzeug funktionieren werden, das einen oder mehrere Reifen aufweist, die bei Bewegung des Fahrzeugs zyklischer Verformung ausgesetzt sind.
Für die Zwecke dieser Patentbeschreibung und der beigefügten Ansprüche sollen alle Zahlen, die Mengen, Prozentsätze oder Verhältnisse ausdrücken, und andere, in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen verwendete numerische Werte so verstanden werden, dass sie in allen Ausprägungen durch den Begriff „etwa“ zu modifizieren sind, sofern es nicht anders angegeben wird. Dementsprechend sind die in der schriftlichen Beschreibung und den Ansprüchen dargelegten numerischen Parameter Näherungen, die sich möglicherweise abhängig von den Solleigenschaften ändern, deren Erreichen durch die vorliegende Offenbarung angestrebt wird, es sei denn, es wird das Gegenteil angegeben. Zumindest – und nicht als ein Versuch, die Anwendung der zum Schutzbereich der Ansprüche äquivalenten Lehren zu begrenzen – sollte jeder numerische Parameter wenigstens in Hinsicht auf die Anzahl der gemeldeten signifikanten Stellen und durch Anwendung normaler Rundungstechniken ausgelegt werden.
Es ist anzumerken, dass die Singularformen „einer“, „eine“, „ein“ und „der“, „die“, „das“, wie sie in dieser Patentbeschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, Pluralbezüge einschließen, es sei denn, sie sind ausdrücklich und eindeutig auf einen Bezug begrenzt. Somit beinhaltet der Bezug auf „einen Sensor“ zum Beispiel zwei oder mehr unterschiedliche Sensoren. Wie er hier verwendet wird, ist beabsichtigt, dass der Begriff „enthalten“ bzw. „beinhalten“ und seine grammatischen Varianten nicht einschränkend sind, so dass die Aufzählung von Punkten in einer Liste nicht zum Ausschluss anderer ähnlicher Punkte führt, die an Stelle der aufgelisteten Punkte gesetzt oder zu diesen hinzugefügt werden können.
Für Fachleute wird sich ergeben, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen am System und am Verfahren der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich ihrer Lehren abzuweichen. Andere Ausführungsformen der Offenbarung werden sich für Fachleute aus der Betrachtung der Patentbeschreibung und durch Umsetzen der hier offenbarten Lehren ergeben. Es ist beabsichtigt, dass die hier beschriebene Patentbeschreibung und Ausführungsform lediglich als beispielhaft betrachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Krupenkin et al. „Reverse electrowetting as a new approach to high-power energy harvesting“, Nature Communications vom 23. August 2011 („Der Nature- Artikel“) [0024]

Claims

Verfahren zur Leistungserzeugung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Erzeugen eines elektrischen Stroms über wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Energy-Harvesting-Element, das mit einem Reifen des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist; das Versorgen wenigstens einer mit dem Reifen verknüpften Unterbaugruppe mit dem elektrischen Strom.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des elektrischen Stroms das Erzeugen des elektrischen Stroms aus Dehnung umfasst, die durch zyklische Verformung des Reifens durch Rollkontakt mit einer Fahrbahnoberfläche produziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des elektrischen Stroms das Umwandeln einer mechanischen Schwingung des Reifens in elektrische Energie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des elektrischen Stroms das Erzeugen des elektrischen Stroms über wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Pad umfasst, das innerhalb des Reifens eingebettet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des elektrischen Stroms das Erzeugen des elektrischen Stroms über wenigstens ein den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzendes Pad umfasst, das an eine Innenfläche des Reifens gehaftet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des elektrischen Stroms das Erzeugen von etwa 95 Watt bis etwa 223 Watt Leistung an einer Kontaktoberfläche des Reifens mit der Fahrbahn umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Versorgen der wenigstens einen Unterbaugruppe das Versorgen eines Reifendrucküberwachungssystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Versorgen der wenigstens einen Unterbaugruppe das Versorgen eines aktiven Reifendruckausgleichssystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des elektrischen Stroms das Erzeugen eines elektrischen Stroms für jeden Reifen des Kraftfahrzeugs über wenigstens eines oder mehrere den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzende Pads umfasst, die mit jedem entsprechenden Reifen gekoppelt sind, und wobei das Versorgen der wenigstens einen Unterbaugruppe das Versorgen einer oder mehrerer Unterbaugruppen, die an jedem entsprechenden Reifen montiert sind, über den für jeden Reifen erzeugten entsprechenden elektrischen Strom umfasst.
Verfahren zur Montage eines Systems zur Leistungserzeugung für eine elektrische Unterbaugruppe eines Kraftfahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Einbetten wenigstens eines den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Elements innerhalb eines Reifens des Kraftfahrzeugs; und das Koppeln des wenigstens einen den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Elements mit wenigstens einer Steuerung, die dazu ausgelegt ist, von dem wenigstens einen, den Reverse-Electrowetting-Effekt nutzenden Energy-Harvesting-Elements erzeugte elektrische Energie zu akkumulieren und die akkumulierte elektrische Energie wenigstens einer am Reifen montierten Unterbaugruppe zuzuführen.