NO341037B1 - Kjøretøysenhet for bruk til identifisering av kjøretøy - Google Patents

Description

Kjøretøysenhet for bruk til identifisering av kjøretøy

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder indentifisering av kjøretøy generelt og spesielt til systemer og fremgangsmåter for automatisk identifisering og registrering av veiavgiftspunkter eller lokalisering. Mer spesielt gjelder den foreliggende oppfinnelsen en kjøretøysenhet (on-board-unit (OBU)) som kan monteres i et kjøretøy, i samsvar med innledningen til patentkrav 1. Enda mer spesielt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en ny løsning for energiforsyningen av slike OBU'er.

Bakgrunn

Bakgrunnen til den foreliggende oppfinnelsen er kontinuerlig utvikling av nåværende kommersielle tilgjengelige systemer for automatisk identifikasjon og registrering av kjøretøyer som passerer veiavgiftspunkter og initieringen av en betaling assosiert med en slik passering. Systemer for veiavgift har vært i drift mange steder rundt omkring i verden, for eksempel i større byer i Norge. På grunn av økende opphopning av veier og motorveier og de assosierte miljømessige innvirkningene er det et økt fokus over hele verden på å forsøke å implementere reguleringer som kan redusere mengden kjøretøystrafikk. Pålegg av veiavgift er et valg og automatiserte systemer for enkel og effektiv betaling av veiavgift er kommersielt tilgjengelige i dag og er også under kontinuerlig utvikling.

En måte å identifisere en bil som passerer et veiavgiftspunkt på er gjennom å utstyre bilen med kjøretøysenheter (on-board-unit (OBU)), hvor hver OBU er unikt assosiert med en bil som OBU'en er plassert i og er i stand til å signalisere dens tilstedeværelse til en egnet leserenhet som er koblet til assosiert utstyr langs veien (roadside equipment (RSE)) for videre behandling og prosessering av kommunikasjonssignalene.

I et system tilveiebragt av det norske selskapet Q-free ASA vil enhver bil som bærer en Q-free-brikke automatisk identifiseres når den passerer et veiavgiftspunkt forsynt med tilsvarende Q-free-leserenhet og utstyr langs veien. Q-free-systemet sikrer korrekt betaling, for eksempel ved å debitere en forhåndsbetalt kundekonto, hver gang et kjøretøy passerer et avgiftspunkt.

Brikken/OBU'en omfatter en transponder som er i stand til å motta et transmittert signal fra leserenheten koblet til utstyret langs veien og tilveiebringe et responssignal fra transponderen til leserenheten. Denne responsen vil på en unik måte identifisere kjøretøyet. Tidligere generasjoner av Q-Free-systemet brukte passive transpondere som kunne operere uten elektriske batterier lokalt i OBU'ene.

Nåværende systemer for veiavgift kan bruke transpondere basert på dedikert kortdistanse-kommunikasjon som opererer med signalfrekvenser i 5,8 MHz-båndet. De kan tilpasses for å tilfredsstille anbefalingene fra CEN/TC 278 standardiseringsarbeidet. Slike transpondere monteres i kjøretøyene og er generelt referert til som kjøretøysenheter eller OBU'er i denne beskrivelsen.

Aktive OBU'er er typisk forsynt med energi fra et elektrisk batteri, for eksempel i form av en litium-primærcelle (3,6 V, 350-900 mAh). I normal drift vil et slikt batteri tilveiebringe en minimumslevetid på fem år for brikken. Levetiden kan imidlertid være sterkt begrenset av antallet passeringer under en leserenhet, så vel som antallet uønskede oppvåkningsprosedyrer på grunn av radiosignaler i omgivelsene, for eksempel fra radarantenner, WLAN-utstyr, etc.

Nåværende aktive OBU'er møter flere begrensninger. Eksempelvis, selv om energitilførsels-enhetene kan virke for en god stund, vil de typisk måtte erstattes etter en viss tid. Deres levetid er også begrenset på grunn av en begrenset energitilførsel som medfører hyppig bytte av batterier og også utskifting av OBU'en i seg selv. Levetiden avhenger videre av eksterne påvirkninger, så som hvor ofte OBU'en aktiveres av signaler andre enn radiofyret ved et veiavgiftspunkt (uønskede oppvåkningsprosesser).

ROUNDY S. J., «ENERGY SCAVENGING FOR WIRELESS SENSR NODES WIITH A FOCUS ON

VIBRATION TO ELECTRICITY CONVERSION», doktorsgradsavhandling i mekanikk ved THE UNIVERSTY OF CALIFORNIA, Berkley, våren 2003 omhandler energihøsting, spesielt for trådløse sensorer, men er ikke rettet mot en anvendelse i form av et system for betaling av veiavgift.

WO 2007/131227 A2 omhandler selvdrevne portable enheter hvor energihøsting benyttes for å tilveiebringe energi for sendere, eksempelvis i et veiavgiftssystem.

Det er følgelig kontinuerlig arbeidsinnsats for å tilveiebringe OBU'er som kan drives på en mer energieffektiv måte, samt å tilveiebringe batterier med økt energilagringskapasitet samtidig som man ikkeøker vekten og størrelsen av OBU'en.

Med denne bakgrunnen er det anerkjent at det er et behov for OBU'er med økt levetid for å unngå unødvendig utbytting av batteriene til OBU'ene eller hele OBU'en i seg selv.

Formål

Hovedformålet for den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en ny kjøretøysenhet (OBU) med økt levetid og som på denne måte krever sjeldnere eller ingen utbyttinger under hele OBU'ens levetid. Slike løsninger vil bidra til lavere mengde avfall assosiert med batteriutskiftinger og gjøre OBU'en mer miljømessig kompatibel, samtidig som man reduserer den totale levetidskostnaden for veiavgiftssystemer.

Oppfinnelsen

En kjøretøysenhet (OBU) i samsvar med oppfinnelsen er angitt i krav 1. Fordelaktige trekk ved OBU'en er beskrevet i patentkravene 2-10.

Kjøretøysidentifikasjon kreves ofte i forbindelse med systemer for veiavgift, opphopnings-betaling, innsamling av veiskatt, bilregistrering eller lignende.

I en utførelsesform av en OBU i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er en energihøster inkludert som en energiforsyningsenhet for å forsyne OBU'en med spennings-/strømnivåer som kreves for drift.

I en ytterligere utførelsesform av en OBU i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter energihøsteren en mekanisk resonansanordning i et material som er i stand til å generere elektrisk energi når det utsettes for mekanisk påvirkning (eksempelvis akselerasjon, rotasjon, bøyning, osv.), foreksempel en piezoelektrisk anordning.

I enda en ytterligere utførelsesform av en OBU i samsvar med oppfinnelsen omfatter energi-høsteren en anordning i stand til å transformere mekanisk eller kinetisk energi, for eksempel fra mekanisk vibrering til elektrisk energi.

I noen utførelsesformer av OBU'en i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er energi-høsteren koblet til en energilagringsenhet i form av en oppladbar anordning, for eksempel et litium-batteri eller en kondensator.

I samsvar med en annen utførelsesform av oppfinnelsen er den nevnte energihøsteren innrettet til å tilveiebringe energi til en indentifiseringsenhet for OBU'en som gjør det mulig for OBU'en å tilveiebringe informasjon nødvendig for å identifisere OBU'en for utstyr langs veien i et veiavgiftssystem. Utstyret langs veien er koblet til en leserenhet som typisk er plassert over de passerende kjøretøyene.

Energihøsterenøker levetiden til en OBU som har et oppladbart batteri, eller som en supplerende energikilde i en OBU med en standard elektrisk primærcelle.

I noen utførelsesformer av OBU'en i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er OBU'en innrettet til å operere uten batteri ettersom energihøsteren tilveiebringer tilstrekkelig energi under de mest optimale drivbetingelsene for å være i stand til å drive OBU'en alene.

I samsvar med en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er energihøsteren kombinert med en kondensator for lagring av små mengder energi. I dette tilfellet kan OBU'en i prinsippet ha ubegrenset levetid.

I enda en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er energihøsteren en del av en energitilførselsenhet som forsyner OBU'en med nødvendig spenning/strøm som kreves for å drive kjernekomponentene i OBU'en.

I enda en utførelsesform av OBU'en i samsvar med oppfinnelsen er en energilagringsenhet koblet til energihøsteren for lagring av i det minste noe av energien som er tilveiebragt av energi-høsteren. Energilagringsenheten omfatter fortrinnsvis en oppladbar elektrisk batterianordning.

I samsvar med en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen omfatter OBU'en elektromekanisk energihøster, eksempelvis en energihøster basert på en piezoelektrisk anordning.

Noen utførelsesform av OBU'en i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter en elektromagnetisk energihøster basert på en leder som beveges i forhold til et magnetisk felt som respons på en ekstern mekanisk påvirkning.

Ytterligere utførelsesformer av OBU'en i samsvar med oppfinnelsen omfatter en elektrostatisk energihøster basert på en kapasitans som endres som et resultat av at minst en elektrode eller en del av et dielektrisk material beveger seg i forhold til andre kapasitansdeler som respons på en ekstern mekanisk påvirkning.

Ytterligere utførelsesformer av OBU'en i samsvar med oppfinnelsen omfatter en energihøster basert på en mekanisk resonansanordning som har en responsfrekvens i området 5-30 Hz.

Ytterligere foretrukne trekk og fordelaktige detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

OBU'en i samsvar med oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor: Figur 1 illustrerer hovedprinsippet ved anordning av en OBU i et kjøretøy for kommunikasjon med en leserenhet i et veiavgiftssystem, og Figur 2 illustrerer i detaljer en utførelsesform av en OBU i samsvar med oppfinnelsen.

Henviser nå til Figur 1 som illustrerer grunnprinsippet ved anordning av en kjøretøysenhet (on-board-unit (OBU)) 10 i et kjøretøy for kommunikasjon, via en kommunikasjonslink 200, med en leserenhet for utstyr langs veien (roadside equipment (RSE)) 100 i et veiavgiftssystem. Interaksjonen av OBU'en 10 tjener til å identifisere et kjøretøy som passer leserenheten som er utstyrt for å kommunisere med OBU'en 10 og indentifisere det passerende kjøretøyet basert på informasjon mottatt fra OBU'en 10.

Et signal sendes fra RSE'en 100 mot passerende kjøretøyer. Når et kjøretøy med en OBU 10 er i nærheten av RSE'en 100 plukker OBU'en 10 opp det transmitterte signalet og generer et egnet responssignal som transmitteres fra OBU'en 10 til RSE'en 100. OBU'en 10 genererer et responssignal som omfatter informasjon, for eksempel i form av en digital kode, som kan brukes av RSE'en 100 for å identifisere det passerende kjøretøyet basert på forhåndslagret informasjon som linker hver digitale kode i OBU'en i bruk med et kjøretøy og dets eier, og for å effektuere betaling av en veiavgift relevant for det aktuelle kjøretøyet, hvor betalingen eksempelvis effektueres i samsvar med en avtale mellom eieren av det aktuelle kjøretøyet og operatøren av veiavgiftssystemet.

OBU'en 10 er i en foretrukken utførelsesform forsynt med en identifikasjonsmodul omfattende en kodebærer, hvorved identifikasjonsmodulen er innrettet for å tilveiebringe en kode tatt fra en kodebærer til en signalgenerator som generer responssignalet fra OBU'en 10 til RSE'en 100. Kode-bæreren kan programmereres unikt med en unik identifikasjonskode for hver individuelle OBU 10. Et eksempel på design av slike OBU'er 10 kan finnes i den publiserte internasjonale patentsøknaden WO 94/03982.

OBU'en 10 kan for eksempel monteres på innsiden av en vindskjerm, dvs. frontruten av kjøretøyet, typisk på delen av frontruten bak bakspeilet, sett fra sjåførens posisjon. I kjøretøyer med metalliserte ruter er det vanligvis tilveiebragt et ikke-metallisert område for montering av en OBU 10 eller lignende for å tillate kommunikasjon med anordninger på utsiden av kjøretøyet. OBU'en kan også monteres på innsiden av karosserikomponenter, så som ikke-skjermende, eksempelvis ikke-metalliske karosserikomponenter.

Henvisning er nå gjort til Figur 2 som illustrerer en OBU 10 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen som er forsynt med en energihøster 11. Energihøsteren 11 er typisk koblet til en energienhet 12 for OBU'en, fortrinnsvis via en impedans- og spenningstilpasningsmodul 13. Energihøsteren 11 kan også samarbeide med en energilagringsenhet 14, eventuelt via en energistyringsmodul 15.

Energihøsteren 11 og energilagringsenheten 14 kan være en del av OBU'ens energienhet 12. OBU'ens energienheten 12 er koblet via en første link 16 til hovedkomponenter 17 av OBU'en for tilførsel av den krevde elektriske energien til andre hovedkomponenter av OBU'en 10. Hoved-komponentene 17 til OBU'en tar hånd om funksjonene til OBU'en 10 som kan forstås ut fra Figur 1, så som kommunikasjon og informasjonsutveksling med RSE'en 100.

Ved bruk av radiokommunikasjon omfatter typisk OBU'en 10 en antenne 18 som er koblet via en andre link 19 til OBU'ens hovedkomponenter 17. Kommunikasjonen mellom OBU'en 10 og RSE'en 100 kan for eksempel utføres som beskrevet i internasjonal patentsøknad WO 01/59947.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er energihøsteren 11 en anordning som er i stand til å omforme energi, eksempelvis mekanisk eller kinetisk energi i form av vibrasjonsenergi, rotasjonsenergi eller impulsenergi, til elektrisk energi, eksempelvis kan en anordning basert på de samme prinsippene som beskrevet i US 7,057,330 brukes.

De foreliggende oppfinnerne er klar over at energihøstere er kommersielt tilgjengelige og at de er i stand til å konvertere lavnivå-vibrasjoner til utnyttbar energi, og for eksempler refereres det til en anordning beskrevet i produktetdatabladet nr. 01/04 med tittelen " Energy Harvester", fra FerroSolutions, Inc., datert 2004, og en anordning beskrevet i http:// www. ferrosi. com/ files/ FS_ product_ sheet_ wint04. pdf, som hevder å være de første produktene i mW-området.

Et eksempel på en piezoelektrisk energihøster er beskrevet i artikkelen " A Free- Standing, Thick-Film Piezoelectric Energy Harvester", av S.L. Kok m.fl., med ukjent publiseringsdato.

Andre typer energihøstere kan også brukes, så som solceller for å fange solenergi, eller anordninger basert på termisk energi, vindenergi eller andre typer energi. Energihøsterne kan baseres på høsting av energi fra omgivelsesvibrasjoner, varme eller lys. Andre typer anordninger som høster kinetisk energi kan også brukes. OBU'en 10 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan foreksempel omfatte en elektromagnetisk energihøster basert på en leder som beveges i forhold til et magnetisk felt hvor bevegelsen av lederen er en respons på en ekstern mekanisk påvirkning.

OBU'en 10 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan også omfatte en elektrostatisk energihøster basert på en kapasitans som endres som et resultat av elektroder som beveges i forhold til hverandre, eller at en del av et dielektrisk materiale beveger seg i forhold til elektrodene som en respons på en ekstern mekanisk påvirkning.

Elektrostatisk baserte energihøstere har tidligere blitt beskrevet eksempelvis i artikkelen " Electrostatic Energy Harvester and Li- lon Charger Circuit for Micro- Scale Applications", av E. O. Torres m. fl., med ukjent publiseringsdato.

De foreliggende oppfinnerne har utført målinger av akselerasjonen i tre dimensjoner (x, y, z - plan) som oppleves under normale kjøretilstander i vanlige kjøretøyer. Måledataene har blitt logget og deretter prosessert for å tilveiebringe estimater for energispektrene for akselerasjonen.

Resultatene viser at det er karakteristiske frekvenser/frekvensbånd som har forholdsvis høyere energitett enn andre frekvenser i vanlige biler. I noen utførelsesformer av OBU'en 10 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen så omfatter den en resonans-energihøster 11 som har en resonanstopp tunet til et slikt frekvensbånd. Energihøsteren 11 kan også tunes til å ha en resonansfrekvens ved eller nær en typisk motor- eller hjul-vibrasjonsfrekvens.

Fortrinnsvis omfatter energihøsteren 11 en resonansanordning som har en resonanstopp i frekvensområdet 5-30 Hz, eller mer foretrukket i frekvensområdet 5-15 Hz eller 15-30 Hz, eller enda mer foretrukket i området 12-18 Hz, og enda mer foretrukket i området 14-16 Hz.

Energihøsteren 11 er på denne måten fortrinnsvis utformet som en mekanisk resonansanordning i et materiale som er i stand til å generere elektrisk energi når det usettes for mekanisk påvirkning (eksempelvis bøyning). Selv om en enkelt resonansanordning er den enkleste anordningen å benytte, kan et flertall resonansanordninger likedan benyttes, spesielt for å høste energi fra et flertall frekvensbånd. Piezoelektriske materialer har denne egenskapen og er mulige løsninger. Den elektromekaniske resonansanordningen kan også baseres på en leder som beveges i et magnetisk felt, samt en kapasitans hvor avstanden mellom elektrodene endres som et resultat av ekstern påvirkning.

Mer generelt kan impulsene som oppleves ved akselerasjon, bremsing eller ved passering av humper eller andre typer veiuregelmessigheter tilveiebringe tilstrekkelig kinetisk energi for OBU'en 10 til å sette en resonansanordning av energihøsteren 11 i oscillasjon, derigjennom muliggjøre høsting av energi med OBU'en 10.

De foreliggende oppfinnere vet fra deres erfaring med installering av OBU-anordninger fra kommersielt tilgjengelige systemer at en OBU 10 kan drives kontinuerlig under normale kjøretøystilstander med så lite energi som omtrent 10U.W og den kan drives med en energi med omtrent 10 mW i de få tideler av et millisekund som kreves for å utføre kommunikasjon med leserenheten for å utføre en veiavgift-betalingstransaksjon. Ved å kjenne til disse mulighetene har de foreliggende oppfinnerne blitt klar over at det nå er fullt mulig å drive OBU'en 10 med kommersielt tilgjengelige energihøstere, spesielt dersom energihøsteren 11 er basert på en resonansanordning som er stand til resonansvibrasjon i de ovenfor beskrevne frekvensområdene. De foreliggende oppfinnerne har funnet ut at det nå er tilgjengelig energihøstere som er i stand til å levere den krevde energien for kontinuerlig drift av OBU'er 10 over lang tid, og at, dersom energihøsteren 11 kombineres med en energilagringsenhet 14, er kontinuerlig drift av OBU'ene 10 mulig.

Når de foreliggende oppfinnerne har analysert de ovenfor nevnte måleresultatene har det i ettertid vært mulig å oppnå energihøster-anordninger som har de krevde designparameterne for å oppvise resonans i de ovenfor nevnte frekvensområdene fra kommersielle produsenter av slike komponenter, hvilke frekvenser er foretrukne for OBU'er 10 med typiske plasseringer i et kjøretøy. På denne måten oppnås en selvdrevet OBU 10 som ikke trenger utskifting av elektriske batterier når batteriet er tømt.

Som oppsummering resulterer det å tilveiebringe en OBU 10 med en energihøster 11 i en OBU 10 med økt levetid, hvilken levetid ikke er så avhengig av at eksterne, uønskede radiosignal som vekker opp OBU'en 10 for drift. Dette reduserer avhengigheten med utskifting av battericeller ved regelmessige intervaller.

Claims (10)

1. Kjøretøysenhet (10) for automatisk identifikasjon av et kjøretøy i et veiavgiftssystem, hvilken kjøretøysenhet (11) omfatter en identifikasjonsmodul og en energienhet (12), hovedkomponenter (17), samt en antenne (18) for kommunikasjon med en leserenhet for utstyr (100) langs veien i et veiavgiftssystem, hvor kjøretøysenheten (10) omfatter en energihøster (11) koblet til kjøretøysenhetens (11) energienhet (12) via en impedans- og spenningstilpasningsmodul (13), integrert i energienheten (12), koblet til en energilagringsenhet (14) via en energistyringsmodul (15),karakterisert vedat energihøsteren (11) er innrettet for å tilveiebringe minst en del av energien som trengs for å drive kjøretøysenhetens (10) antenne (18) og hovedkomponenter (17) i forbindelse med toveis kommunikasjon med leserenheten til utstyret (100) langs veien.

2. Kjøretøysenhet i samsvar med krav 1,karakterisert vedat energihøsteren (11) er en del av en energitilførselsenhet (12) for tilførsel av spennings-/strømnivåer som kreves for drift av kjøretøysenheten (10).

3. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat energihøsteren (11) omfatter en mekanisk resonansanordning i et materiale som er i stand til å generere elektrisk energi når det utsettes for mekanisk påvirkning i form av en piezoelektrisk anordning.

4. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat energihøsteren (11) omfatter en anordning som er i stand til å omforme vibrasjonsenergi til elektrisk energi.

5. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat kjøretøysenheten (10) omfatter en energilagringsenhet (14) koblet til energihøsteren (11) for lagring av høstet energi.

6. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat energihøsteren (11) er koblet til en energilagringsenhet (14) i form av en oppladbar anordning i form av et batteri.

7. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat energihøsteren (11) er koblet til en energilagringsenhet (14) i form av en kapasitiv anordning for midlertidig lagring av elektrisk energi.

8. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat energihøsteren (11) er av elektromagnetisk type basert på en leder som beveger seg i forhold til et magnetisk felt som respons på en ekstern mekanisk påvirkning.

9. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat energihøsteren (11) er av elektrostatisk type basert på en kapasitans som endres som et resultat av at minst en elektrode eller en del av et dielektrisk material beveges som respons på en ekstern mekanisk påvirkning.

10. Kjøretøysenhet i samsvar med ett av de foregående patentkravene,karakterisert vedat energihøsteren (11) er basert på en mekanisk resonansanordning som har en resonansfrekvens innenfor området 5-30 Hz, mer foretrukket innenfor området 5-15 Hz eller 15-30 Hz, og enda mer foretrukket innenfor området 12-18 Hz, og enda me r foretrukket innenfor området 14-16 Hz.