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Die Erfindung betrifft eine Telemetrievorrichtung für ein Schienenfahrzeug.
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Schienenfahrzeuge werden über weite Strecken, und häufig auch länderübergreifend, bewegt. Für den Eigentümer oder den Nutzer eines Schienenfahrzeugs, aber auch für den Eigentümer einer im Schienenfahrzeug beförderten Fracht besteht deshalb ein Interesse, aktuelle Informationen über den jeweiligen Aufenthaltsort des Schienenfahrzeugs erhalten zu können. Dafür kann das Schienenfahrzeug mit einem Sender ausgestattet werden, der Informationen, die das Schienenfahrzeug eindeutig identifizieren und Informationen über den derzeitigen Aufenthaltsort des Fahrzeugs aussenden kann. Der Sender übermittelt diese Informationen dann periodisch oder auf Anfrage an eine Empfangseinheit, die außerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, beispielsweise an eine Sammelstelle bzw. ein Backoffice. Die Daten können beispielsweise per Mobilfunk an die Sammelstelle übermittelt werden. Somit kann der Eigentümer bzw. der Nutzer des Schienenfahrzeugs jederzeit dessen aktuelle geographische Position erfragen. Damit können auch vermisste Schienenfahrzeuge bzw. ihre Ladung aufgespürt werden.
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Nachteilig ist dabei, dass in Schienenfahrzeugen, die über keine elektrische Energieversorgung verfügen, insbesondere in Güterwaggons, eine eigene Energiequelle zur Versorgung des Senders vorgesehen werden muss. Dafür sind Batterien oder Akkumulatoren erforderlich, die entweder regelmäßig ausgetauscht oder wiederaufgeladen werden müssen, was zu einem erhöhten Wartungsaufwand führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Telemetrievorrichtung für ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, die über eine im Vergleich zur Verwendung von Batterien oder Akkumulatoren als Energiespeicher weitgehend wartungsarme autonome Energieversorgung verfügt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Telemetrievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Telemetrievorrichtung für ein Schienenfahrzeug weist eine Telemetrieeinheit zur drahtlosen Übermittlung von Informationen über das Schienenfahrzeug an eine außerhalb des Schienenfahrzeugs anordenbare Empfangseinheit auf. Die Telemetrievorrichtung weist ferner eine Energieumwandlungseinheit zum Umwandeln von im sich bewegenden Schienenfahrzeug auftretenden Vibrationen in elektrische Energie auf, um die Telemetrieeinheit mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Mittels der Telemetrieeinheit, die insbesondere einen Sender umfasst, werden Informationen über das Schienenfahrzeug an eine Empfangseinheit bzw. eine Sammelstelle übermittelt, die außerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, und die nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Telemetrievorrichtung ist. Die Informationen werden dabei insbesondere drahtlos übermittelt und können damit über weite Strecken übermittelt werden.
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Mittels der Energieumwandlungseinheit wird die Telemetrieeinheit mit elektrischer Energie versorgt. Dabei wird die mechanische Energie von Vibrationen, die während der Fahrt, d. h. bei der Bewegung des Schienenfahrzeugs auftreten, in elektrische Energie umgewandelt. Die Energieumwandlungseinheit ist dabei so dimensioniert, dass die durch Umwandlung der mechanischen Vibrationsenergie erhaltene elektrische Energie ausreichend ist, um die Telemetrieeinheit mit elektrischer Energie zu versorgen, und dies auch unter Randbedingungen, bei denen die während der Fahrt des Innenfahrzeugs auftretenden Vibrationen gegenüber den Vibrationen bei verschlissenem Fahrzeug oder verschlissenem Schienenstrang gering sind, beispielsweise auf einem neu verlegten oder überarbeiteten Schienenstrang oder bei neuen oder neu profilierten Radsätzen.
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Eine im Sinne der Erfindung ausgebildete Telemetrievorrichtung für ein Schienenfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Telemetrievorrichtung eine autonome Energieversorgung für die Bereitstellung der für die Telemetrieeinheit benötigten elektrischen Energie aufweist, die im Vergleich zur Energieversorgung mit Batterien oder Akkumulatoren einen deutlich verringerten Wartungsaufwand erfordert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Energieumwandlungseinheit an einem Drehgestell des Schienenfahrzeugs anzuordnen. Am Drehgestell treten während der Fahrt üblicherweise die stärksten Vibrationen auf, so dass die für die Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung stehende mechanische Vibrationsenergie hier ein Maximum erreicht. Diese maximale Vibrationsenergie kann durch Energieumwandlungseinheiten, die am Drehgestell des Schienenfahrzeugs angeordnet werden, mit einer größtmöglichen Energieausbeute in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei können auch mehrere Energieumwandlungseinheiten an einem Drehgestell oder an mehreren Drehgestellen des Schienenfahrzeugs angeordnet werden. Die Energieumwandlungseinheit kann beispielsweise an einer Wiege oder am Rahmen des Drehgestells angeordnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energieumwandlungseinheit an einem zwischen einem Drehgestell und einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs angeordneten Dämpfungselement angeordnet. Die Anordnung der Energieumwandlungseinheit zwischen Drehgestell und Wagenkasten hat den Vorteil, dass die elektrische Energie beispielsweise über eine Leitung einfacher in das Schienenfahrzeug geleitet werden kann als bei einer Anordnung der Energieumwandlungseinheit direkt am Drehgestell, da das Dämpfungselement direkt mit dem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs verbunden ist und gegenüber diesem nur geringe oder keine Relativbewegungen vornimmt, denen auch eine Leitung zur Energieübertragung unterworfen ist. Wird die Energieumwandlungseinheit an einem Dämpfungselement angeordnet, so kann sie beispielsweise an einem Sekundärdämpfer des Drehgestells angeordnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wandelt die Energieumwandlungseinheit die im sich bewegenden Schienenfahrzeug auftretenden Vibrationen durch einen Piezogenerator in elektrische Energie um. Unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes wird dabei ein elastisches Verformen eines piezoelektrischen Körpers genutzt, um am piezoelektrischen Körper das Auftreten einer elektrischen Spannung hervorzurufen. Dafür werden im Piezogenerator die Vibrationen des sich bewegenden Schienenfahrzeugs in Verformungen des piezoelektrischen Elements im Piezogenerator umgewandelt, die das Auftreten einer elektrischen Spannung am piezoelektrischen Element des Piezogenerators bewirken, um elektrische Energie zum Versorgen der Telemetrieeinheit bereitzustellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Telemetrieeinheit auf dem Dach des Schienenfahrzeugs angeordnet und die durch die Energieumwandlungseinheit durch Umwandeln der Vibrationen gewonnene elektrische Energie wird mittels einer Leitung von der Energieumwandlungseinheit zu der Telemetrieeinheit übertragen. Dadurch können Telemetrieeinheit und Energieumwandlungseinheit an verschiedenen Orten am Schienenfahrzeug angeordnet sein. Die Telemetrieeinheit kann beispielsweise auf oder unter dem Dach des Schienenfahrzeugs, wo die besten Randbedingungen für das Aussenden von Signalen durch die Telemetrieeinheit gegeben sind, angeordnet werden, und die Energieumwandlungseinheit kann beispielsweise am Wagenkasten, am Drehgestell oder an einem zwischen dem Drehgestell und einem Wagenkasten angeordneten Dämpfungselement oder an einem Federelement angeordnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Telemetrieeinheit und die Energieumwandlungseinheit in einer Baugruppe angeordnet. Dadurch ergibt sich eine kompakte Einheit, die mit geringem Aufwand installiert, gewartet und ausgetauscht werden kann. Die Baugruppe ist vorzugsweise dort anzuordnen, wo ausreichend Vibrationen auftreten, um durch die Energieumwandlungseinheit Vibrationen in für die Versorgung der Telemetrieeinheit ausreichende elektrische Energie umwandeln zu können. Dafür muss die Telemetrieeinheit ausreichend vibrationsfest ausgeführt werden. Des Weiteren ist der Anbringungsort so zu wählen, dass die Telemetrieeinheit ausreichende Sendeeigenschaften aufweist. Ein geeigneter Anbringungsort ist beispielsweise der Wagenkasten, vorzugsweise in der Nähe des Fahrgestells, da dort ausreichend Vibrationen auftreten, um durch die Energieumwandlungseinheit ausreichend elektrische Energie für die Versorgung der Telemetrieeinrichtung zu gewinnen, und da dort andererseits die Vibrationen von geringerer Intensität als beispielsweise am Drehgestell sind, so dass die Telemetrieeinheit nur in einem geringeren Maße vibrationsfest ausgeführt werden muss. Außerdem ergeben sich bei der Anbringung am Wagenkasten bessere Sendebedingungen für die Telemetrieeinheit.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Telemetrievorrichtung eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie vorgesehen. Bei der Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie kann es sich beispielsweise um einen Akkumulator handeln. Durch die Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie kann stets ausreichend elektrische Energie für die Versorgung der Telemetrieeinheit auch dann bereitgestellt werden, wenn beispielsweise das Vibrationsniveau vorübergehend relativ niedrig ist, z. B. auf einem neuen oder überarbeiteten Schienenstrang, so dass die Energieumwandlungseinheit vorübergehend aufgrund des geringeren Vibrationsniveaus nur eine reduzierte Menge an elektrischer Energie liefern kann. Durch die Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie ist es darüber hinaus möglich, auch bei Stillstand des Schienenfahrzeugs die Telemetrieeinheit mit elektrischer Energie zu versorgen, so dass die Telemetrieeinheit auch bei Stillstand des Schienenfahrzeugs Informationen über das Schienenfahrzeug senden kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Speichern der elektrischen Energie ein Supercap. Supercaps werden auch als Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren bezeichnet und sind in der Regel elektrochemische Kondensatoren. Durch den Einsatz von Supercaps kann die durch die Energieumwandlungseinheit aus den Vibrationen des Schienenfahrzeugs gewonnene elektrische Energie effizient gespeichert werden, um die Telemetrieeinheit kontinuierlich, auch im Stillstand des Schienenfahrzeugs, mit elektrischer Energie versorgen zu können. Supercaps überstehen sehr viele Ladezyklen und sind deshalb aufgrund ihrer Robustheit und weitgehenden Wartungsfreiheit zum Speichern der elektrischen Energie zur Versorgung der Telemetrieeinheit im Schienenfahrzeug besonders gut geeignet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Telemetrieeinheit so gestaltet, dass sie die geographische Position und die Identifikation des Schienenfahrzeugs an die außerhalb des Schienenfahrzeugs anordenbare Empfangseinheit übermitteln kann. Position und Identifikation des Schienenfahrzeugs sind die wesentlichen Größen, um Informationen über den Aufenthaltsort des Schienenfahrzeugs zu übermitteln. Die Identifikation des Schienenfahrzeugs kann beispielsweise in die Telemetrieeinheit einprogrammiert werden und mit dem von der Telemetrieeinheit ausgesendeten Signal an eine außerhalb des Schienenfahrzeugs anordenbare Empfangseinheit übermittelt werden. Im Funksignal wird darüber hinaus auch die geographische Position des Schienenfahrzeugs übermittelt. Dafür kann die Telemetrievorrichtung beispielsweise eine GPS-Einheit aufweisen, die ebenfalls durch die Energieumwandlungseinheit bzw. einen von der Energieumwandlungseinheit gespeisten Speicher mit elektrischer Energie versorgt werden kann, und die die Position des Schienenfahrzeugs bestimmen kann, um diese Position an die Telemetrieeinheit zum Aussenden zu übermitteln. Dadurch ist es möglich, durch eine weitgehend wartungsfreie und energieautarke Telemetrievorrichtung Position und Identifikation des Schienenfahrzeugs an eine Empfangseinheit bzw. eine Sammelstelle oder ein Backoffice zu übermitteln, so dass im Backoffice ein Überblick über den derzeitigen Aufenthalt eines Schienenfahrzeugs und gegebenenfalls auch seiner Ladung möglich wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Telemetrieeinheit so gestaltet, dass sie Informationen an eine Empfangseinheit eines Mobilfunknetzes oder eines Bahnfunknetzes übermitteln kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Darin zeigt die einzige 1 ein mit einer erfindungsgemäßen Telemetrievorrichtung ausgerüstetes Schienenfahrzeug.
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Bei dem in 1 dargestellten, mit einer erfindungsgemäßen Telemetrievorrichtung 111 ausgerüsteten Schienenfahrzeug 101 handelt es sich vorliegend um einen Güterwaggon. Bei Güterwaggons ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Telemetrievorrichtung 111 besonders vorteilhaft, da diese in der Regel nicht über eine eigene elektrische Energieversorgung verfügen. Jedoch kann eine erfindungsgemäße Telemetrievorrichtung 111 auch in Schienenfahrzeugen eingesetzt werden, die über eine eigene elektrische Energieversorgung verfügen, da eine erfindungsgemäße Telemetrievorrichtung 111, insbesondere dann, wenn Telemetrieeinheit 115 und Energieumwandlungseinheit 113 in einer Baugruppe angeordnet sind, einen Verzicht auf eine Verkabelung ermöglicht und deshalb einen einfachen Einbau einer Telemetrievorrichtung 111 an nahezu beliebigen Einbauorten des Schienenfahrzeugs 101 ermöglicht, ohne dafür Kabelanschlüsse vorsehen zu müssen.
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Das Schienenfahrzeug 101 fährt auf einem Schienenstrang 103. Dadurch treten stets Vibrationen im Schienenfahrzeug 101, und insbesondere in den Drehgestellen 105 des Schienenfahrzeugs 101 auf. Die Drehgestelle 105 sind im in 1 dargestellten Schienenfahrzeug mit Federelementen 107 und Dämpfungselementen 109 mit dem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs 101 gefedert und gedämpft verbunden.
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Im in 1 dargestellten Beispiel der Telemetrievorrichtung 111 ist die Energieumwandlungseinheit 113 der Telemetrievorrichtung 111 am Drehgestell 105 des Schienenfahrzeugs 101 angeordnet. Die Energieumwandlungseinheit 113 kann alternativ auch am Wagenkasten 102 des Schienenfahrzeugs oder auch an einem Federelement 107 oder an einem Dämpfungselement 109 zwischen Drehgestell 105 und Wagenkasten 102 des Schienenfahrzeugs 101 angeordnet sein. Sie kann auch an beliebigen anderen Stellen des Drehgestells 105 oder des Schienenfahrzeugs 101 angeordnet sein, an denen ausreichend Vibrationen auftreten, mittels derer die für die Versorgung der Telemetrieeinheit 115 der Telemetrievorrichtung 111 benötigte elektrische Energie bereitgestellt werden kann.
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Bei der in 1 dargestellten Energieumwandlungseinheit 113 handelt es sich um eine piezoelektrische Energieumwandlungseinheit 113, die die Vibrationen des Drehgestells 105 durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts in elektrische Energie zur Versorgung der Telemetrieeinheit 115 umwandelt. Dazu werden die Vibrationen des Drehgestells 105 in Verformungen bzw. in durch Verformungen resultierende Spannungen in den piezoelektrischen Elementen der Energieumwandlungseinheit 113 umgewandelt, aufgrund derer die piezoelektrischen Elemente der Energieumwandlungseinheit 113 dann elektrische Energie erzeugen.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Telemetrievorrichtung sind die Energieumwandlungseinheit 113 und die Telemetrieeinheit 115 an unterschiedlichen Einbauorten im Schienenfahrzeug 101 angeordnet. Die Energieumwandlungseinheit 113 ist am Drehgestell angeordnet, während sich die Telemetrieeinheit 115, um optimale Randbedingungen für das Aussenden von Informationen zu haben, unter dem Dach des Schienenfahrzeugs 101 befindet. Deshalb ist die durch die Energieumwandlungseinheit 113 aus den Vibrationen des Drehgestells 105 erzeugte elektrische Energie durch eine Leitung 117 vom Drehgestell 105 zur unter dem Dach des Schienenfahrzeugs befindlichen Telemetrieeinheit 115 zu übertragen. Wie bereits die Energieumwandlungseinheit 113 an verschiedenen Orten im Schienenfahrzeug 101 angeordnet werden kann, so kann auch die Telemetrieeinheit 115 an verschiedenen Orten angeordnet werden. So kann sie beispielsweise auch am Wagenkasten 102 in der Nähe der Drehgestelle 105 angeordnet werden, soweit dadurch die Signale 121 in ausreichender Stärke und Qualität ausgesendet werden können. Die in 1 dargestellte Anordnung der Telemetrieeinheit 115 unter dem Dach hat den Vorteil, dass hier geeignete Randbedingungen für das Aussenden der Signale 121 herrschen, und darüber hinaus hier das Vibrationsniveau niedrig ist, so dass die Bauteile der Telemetrieeinheit 115 und der Sendeantenne 119 nur in einem geringen Maß von Vibrationen des Schienenfahrzeugs 101 beansprucht werden.
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Die Energieumwandlungseinheit 113 und die Telemetrieeinheit 115 sowie auch die Antenne 119 können jedoch auch zu einer Baugruppe zusammengefasst werden. Dann kann auf die Leitung 117 zum Übertragen von elektrischer Energie von der Energieumwandlungseinheit 113 zur Telemetrieeinheit 115 verzichtet werden. Sind Energieumwandlungseinheit 113 und Telemetrieeinheit 115 in einer Baugruppe zusammengefasst, dann ist diese jedoch dort anzuordnen, wo ausreichend Vibrationen vorhanden sind, mittels derer ausreichend elektrische Energie zur Versorgung der Telemetrieeinheit 115 bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig ist der Einbauort so zu wählen, dass durch die Telemetrieeinheit 115 eine ausreichende Sendestärke gewährleistet ist, um die Signale 121 in der erforderlichen Stärke auszusenden. Ein derartiger Einbau ist beispielsweise am Wagenkasten 102 möglich. Hier liegt noch ein ausreichendes Vibrationsniveau vor, und gleichzeitig können von hier Signale 121 mit der erforderlichen Stärke versendet werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Antenne 119 nicht durch Bauteile des Wagenkastens 102 abgeschirmt wird. Sind Energieumwandlungseinheit 113, Telemetrieeinheit 115 und Antenne 119 in einer Baugruppe zusammengefasst und an einem Ort befestigt, an dem ein ausreichendes Vibrationsniveau vorhanden ist, so sind Telemetrieeinheit 115 und Sendeantenne 119 hinreichend vibrationsfest auszuführen.
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Die in 1 dargestellte Telemetrievorrichtung 111 weist einen Energiespeicher 123 auf, in dem die durch die Energieumwandlungseinheit 113 bereitgestellte elektrische Energie zwischengespeichert werden kann, um bei Stillstand des Schienenfahrzeugs oder bei einem geringen Vibrationsniveau, beispielsweise auf frisch überarbeiteten Schienensträngen 103, stets ausreichend elektrische Energie für die Energieversorgung für die Telemetrieeinheit 115 bereitzustellen. Bei dem Energiespeicher 123 kann es sich beispielsweise um einen Superkondensator, auch als Supercap bezeichnet, handeln.
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Die Telemetrieeinheit 115 weist eine Sendeantenne 119 auf, mittels derer Signale 121 an eine außerhalb des Schienenfahrzeugs 101 befindliche Empfangseinheit gesendet werden können. Die Empfangseinheit kann sich dabei in einer großen Entfernung zum Schienenfahrzeug 101 befinden. Alternativ können die Signale 121 auch an in der Nähe des Schienenfahrzeugs 101 befindliche Empfangseinheiten übermittelt werden, beispielsweise an die Basisstationen von Mobilfunknetzen oder an Einrichtungen des Bahnfunks, um die Informationen vom Schienenfahrzeug 101 an eine Empfangseinrichtung zu übertragen. Werden die Signale 121 beispielsweise an Mobilfunknetze oder an Bahnfunknetze gesendet, so kann die Sendeleistung der Telemetrieeinheit 115, und damit deren Energiebedarf entsprechend abgesenkt werden, da die Signale 121 nur über eine verhältnismäßig geringe Distanz übersendet werden müssen.
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In der Telemetrieeinheit 115 kann eine GPS-Vorrichtung oder eine vergleichbare Vorrichtung zum Bestimmen der Position des Schienenfahrzeugs 101 angeordnet sein. Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung kann jedoch auch außerhalb der Telemetrieeinheit 115 angeordnet sein und übermittelt die von ihr ermittelten Positionsinformationen dann an die Telemetrieeinheit 115. Die Telemetrieeinheit 115 sendet diese Positionsinformationen dann zusammen mit einer Identifikation des Schienenfahrzeugs 101, die dieses eindeutig identifiziert, über die Sendeantenne 119 an eine außerhalb des Schienenfahrzeugs 101 angeordnete Empfangsstation. Dadurch kann die Position des Schienenfahrzeugs 101 stets beispielsweise durch Logistikunternehmen oder Frachtführer ermittelt werden, so dass der jeweilige Aufenthaltsort des Schienenfahrzeugs 101 identifizierbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Schienenfahrzeug
- 102
- Wagenkasten
- 103
- Schienenstrang
- 105
- Drehgestell
- 107
- Federelement
- 109
- Dämpferelement
- 111
- Telemetrievorrichtung
- 113
- Energieumwandlungseinheit
- 115
- Telemetrieeinheit
- 117
- Leitung
- 119
- Sendeantenne
- 121
- gesendetes Signal
- 123
- Energiespeicher
