DE112014000503B4

DE112014000503B4 - Aufprallsensor mit triboelektrischem Effekt für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE112014000503B4
Application number: DE112014000503.7T
Authority: DE
Inventors: Roland Kuffer; Heinz Bader
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: WO2014114293A1; DE102013100624A1; DE112014000503A5

Abstract

Kraftfahrzeug mit einem Aufprallsensor im Außenbereich des Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem elektrischen Leiter, bei welchem eine elektrische Eigenschaft des Leiters bei einem Aufprall beeinflusst wird und aus dieser Beeinflussung das Vorliegen eines Aufpralls erkannt wird,dadurch gekennzeichnet, dassder zumindest eine elektrische Leiter (1) aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material ist und in Berührung mit einem zweiten Material (2) angeordnet ist,wobei das zweite Material gegenüber dem ersten Material zumindest einen vorgegebenen Unterschied in der Elektronenaffinität aufweist undbei einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter (1) und/oder das zweite Material (2) relativ zueinander unter Erzeugung von Reibung zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich sind unddie durch diese Reibung zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter (1) entstehende, elektrische Ladungsverschiebung erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Aufprallsensor im Außenbereich des Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein solcher Aufprallsensor ist beispielsweise aus der EP 0 937 612 A2 bekannt, wobei dort insbesondere die Unterbrechung eines elektrischen Leiters oder dieser Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen 2 metallischen Platten bei einem Aufprall ausgewertet wird. Dazu muss der elektrische Leiter permanent stromführend sein.
Aus der DE 11 2004 001 382 T5 ist ein triboelektrisches Sensorkabel zur Einbruchsüberwachung bekannt, bei welchem ein Lufttrennelement und ein elektrisch isolierendes Kunststoffelement vorgesehen sind, um auf das Sensorkabel einwirkende Erschütterungen aufgrund von Einbruchsversuchen zu erkennen.
Die gattungsbildende DE 102 30 560 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug mit einem Aufprallsensor im Außenbereich des Kraftfahrzeugs, wobei der Aufprallsensor zumindest einen elektrischen Leiter aufweist. Bei einem Aufprall wird die elektrische Eigenschaft des Leiters beeinflusst und aus dieser Beeinflussung wird das Vorliegen eines Aufpralls erkannt. Auch aus der DE 103 26 770 A1 und der DE 10 2004 051 584 A1 ist jeweils ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Aufprallsensor bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Konzept für ein Kraftfahrzeug mit einem Aufprallsensor im Außenbereich des Kraftfahrzeugs vorzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass der an sich bekannte triboelektrische Effekt (vgl. Wikipedia zu Reibungselektrizität), also die Reibungselektrizität zwischen Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaffinität ausgenutzt werden kann, um Relativbewegungen, also auch einen Aufprall zu erkennen.
Während bei der Einbruchsüberwachung eine sehr hohe Sensibilität für kleinste Erschütterungen erforderlich ist, kann für die Verwendung als Aufprallsensor ein deutlich einfacherer Aufbau gewählt werden.
So reicht es, wenn der elektrische Leiter aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material ist und innerhalb eines zweiten Materials angeordnet ist, wobei bei einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter und/oder das zweite Material relativ zueinander unter Erzeugung von Reibung zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich sind und die durch diese Reibung zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter entstehende, elektrische Ladungsverschiebung bspw. in Form der elektrischen Spannung erfasst wird.
Eine solche Relativbewegung beim Aufprall kann bereits dadurch ermöglicht werden, dass die Querschnitte und zumindest das 2. Material teilelastisch ist, wie dies beispielsweise bereits bei herkömmlichen Koaxialkabeln der Fall ist. Erfindungsgemäß weist das zweite Material gegenüber dem ersten Material zumindest einen vorgegebenen Abstand in der Elektronenaffinität auf, wobei vorzugsweise als Maßstab für geeignete Materialien bei gegebener Kabelform ein hinreichendes Signal-Rauschverhältnis als Reaktion auf eine vorgegebene Stärke des Aufpralls hinreichend ist und zudem durch die Form des Kabels, insbesondere die Größe der Reibefläche zwischen 1. und 2. Material maßgeblich ebenfalls beeinflusst werden kann. In einer besonders bevorzugten, da besonders einfachen Ausgestaltung ist der Aufprallsensor als ein Rundkabel aufgebaut ist, wobei der elektrische Leiter im Inneren des zweiten Materials angeordnet ist. So wurden 1. Versuche mit herkömmlichen Rundfunktechnik-Antennen-Koaxialkabeln durchgeführt und wiesen diese bereits bei einem Aufprall, beispielsweise einem Hammerschlagtest deutlich messbare Spannungsimpulse auf.
Alternativ zur Messung der elektrischen Spannung kann die Ladungsverschiebung auch als solche mittels einer geeigneten Schaltung, bspw. einem Ladungsverstärker erfasst werden. Letztlich ist die Erfassung der Ladungsverschiebung in aller Regel eine Form der Spannungsmessung, jedoch eben evtl. nicht unmittelbar am ladungsführenden Leiter sondern am Ausgang der zwischengeschalteten Schaltung, also bspw. einem Ladungsverstärker.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Aufprallsensor als ein Flachleiter ausgebildet, wobei der elektrische Leiter zumindest eine Reibefläche zum zweiten Material aufweist. Eine solche Flachleiteranordnung ermöglicht ebenfalls eine sehr einfache Fertigung und zudem eine große Reibefläche zwischen dem 1. und 2. Material.
Vorzugsweise weist der Aufprallsensor eine äußere elektrisch leitende Abschirmhülle auf, welche elektrisch auf Massepotential geschaltet ist.
Zur Prüfung auf Intaktheit der Leitung kann der elektrische Leiter mit einem Prüfstrom beaufschlagt werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass der dafür erforderliche Prüfstrom extrem gering sein kann, so dass evtl. sogar eine permanente Prüfung zeitgleich zur Aufprallerkennung möglich ist, vorzugsweise jedoch eine solche Prüfung beispielsweise bei stehendem Fahrzeug und Inbetriebnahme des Sensors erfolgt, alternativ auch zyklisch solche Prüfphasen vorzusehen sind.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Im Folgenden können funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sein.
So wird mit Bezugszeichen 1 jeweils der elektrische Leiter bezeichnet und mit Bezugszeichen 2 das 2. Material, welches vorzugsweise nicht leitend und mit hinreichend abweichender Elektronenaffinität gewählt ist sowie mit 3 eine äußere, elektrisch leitfähige Hülle zur Abschirmung. Die Richtungsangaben X, Y und Z entsprechen dabei der Definition im Kraftfahrzeug mit X als Fahrtrichtung, Y als Querrichtung und Z in Hochachse. Es zeigen

1: 1. Ausgestaltung als Koaxialkabel.
2: 2. Ausgestaltung als Flachleiter.
3: Ausgestaltung mit zwei elektrischen Leitern in einem Kabel und zwei Sensorauswerteeinheiten
4: Querschnitt durch Kabel gemäß 3

1 zeigt im Wesentlichen den Querschnitt eines über die Länge einer Fahrzeugfront, also in Y Richtung angeordneten Aufprallsensors in Form eines Koaxialkabels, wobei bei einem Zusammenstoß des Fahrzeugs mit einem Fußgänger oder anderen Hindernis eine Krafteinwirkung F als Hauptaufprallrichtung entgegen der Fahrtrichtung betrachtet wird und es zu einer Verformung, insbesondere Quetschung, des Aufprallsensors kommt. Genauso kann der Sensor aber an jeder anderen Fahrzeugseite, also seitlich oder auch in der hinteren Stoßstange eingesetzt werden.
Der elektrische Leiter 1 ist aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer oder vergleichbaren Metallen. Der Leiter 1 ist in Berührung mit einem zweiten Material 2, hier sogar vollständig in diesem eingebettet bzw. von diesem umschlossen, wobei das 2. Material 2 vorzugsweise nicht leitend gewählt ist, und wobei das 2. Material 2 mit hinreichend unterschiedlicher Elektronenaffinität gewählt ist.
Bei einem Aufprall aus der vorgegebenen Richtung F ist der Leiter 1 und/oder das zweite Material 2 relativ zueinander unter Erzeugung von Reibung zwischen dem ersten und zweiten Material 2 beweglich. Zunächst wird bei einer solchen koaxialen Anordnung primär das 2. Material 2 durch die Krafteinwirkung F um den Leiter 1 herum gepresst und entsteht durch die dabei auftretende Reibung eine Ladungsträgerfreisetzung und ein Spannungsimpuls, welcher in herkömmlicher Weise durch eine geeignete Auswerteschaltung erfasst wird. Aus der Stärke dieses Spannungsimpulses kann auf das Vorliegen und vorzugsweise sogar auf die Stärke des Aufpralls geschlossen werden.
Das zweite Material weist gegenüber dem ersten Material zumindest einen vorgegebenen Abstand in der Elektronenaffinität auf. Da jedoch durch die räumliche Geometrie des Aufprallsensors ebenfalls die Stärke des Spannungsimpulses beeinflussbar ist, können je nach räumlichen und Materialgegebenheiten anwendungsspezifische Anpassungen vorgenommen werden, um zu einem hinreichenden Signal-Rausch-Abstand zu gelangen. Wie in 1 gezeigt ist der Aufprallsensor dort als ein Rundkabel aufgebaut, wobei der elektrische Leiter 1 im Inneren des zweiten Materials 2 angeordnet ist.
Alternativ zu dieser Koaxialanordnung sind verschiedene andere Ausgestaltungen denkbar. So könnte beispielsweise auch eine um einen Kern gewickelte Form eines elektrischen Leiters vorgesehen sein, wobei der Kern dann bspw. aus dem 2. Material 2 bestehen kann. Oder aber es werden mehrere Leiter eingebettet oder ein Ringleiter bestehend aus einer Hin- und einer Rückleitung.
Alternativ dazu zeigt 2 der Aufprallsensor als ein Flachleiter, wobei der elektrische Leiter 1 zumindest eine Reibefläche zum zweiten Material 2 aufweist, hier sogar beidseitig 2 Reibeflächen oberhalb und unterhalb des elektrischen Leiters 1 mit einer deutlich größeren Gesamtreibefläche und damit höhere Menge an freien Ladungsträgern als in einer vergleichbar großen Anordnung gemäß 1. Der elektrische Leiter 1 ist dabei in seiner Querschnittsfläche in Fahrtrichtung X breiter als in Hochrichtung Z, so dass bei einem Aufprall F das 2. Material 2 gut entlang dieser verhältnismäßig großen Reibeflächen verdrängt werden kann. Auch eine solche Anordnung kann über die Breite der Fahrzeugfront in Y Richtung des Fahrzeugs beispielsweise innerhalb der Stoßstange verlaufend angeordnet sein.
Zur Vermeidung von Einkopplungen durch elektromagnetische Felder weist der Aufprallsensor vorzugsweise eine äußere elektrisch leitende Abschirmhülle 3 auf, welche elektrisch auf Massepotential geschaltet ist. Wie bereits eingangs erwähnt, wird beispielsweise bei Inbetriebnahme des Aufprallsensors der elektrische Leiter 1 zur Prüfung auf Intaktheit der Leitung mit einem Prüfstrom beaufschlagt. Die vorliegend beschriebenen Aufprallsensoren eignen sich im Außenbereich des Kraftfahrzeugs, insbesondere der Stoßstange an der Fahrzeugfront oder im Heck, aber auch den Seitenbereichen, wie bspw. den Türen.
Sie ermöglichen eine Erkennung und vorzugsweise auch Unterscheidung eines Aufpralls mit einem Fußgänger oder vergleichbaren leichteren Objekten zu einem Aufprall mit einem Kraftfahrzeug oder anderen schweren Objekten. Zudem dienen Sie als vorverlagerte Sensoren zur frühen Aufprallerkennung im Sinne sogenannter „Early-Crash-Sensoren“ bzw. Up-Front-Sensoren zur Anpassung des Auslösealgorithmus für die Hauptsensoren im Fahrzeugtunnel. Sensoren für sicherheitsrelevante Systeme weisen vorzugsweise eine Redundanz dahingehend auf, dass ein Sensor durch einen weiteren plausibilisiert wird. Dies kann man gemäß der 3 und 4 dergestalt verwirklichen, dass man nicht nur zwei identische separate Sensoren im Fahrzeug verbaut, sondern in einem triboelektrischen Sensor bereits zwei elekrische Leiter anstelle von nur einem einbringt. Der (eine) Aufprallsensor weist also in 3 und 4 zwei voneinander elektrisch isolierte elektrische Leiter 1 auf. Zudem sind vorzugsweise an beiden Enden des Aufprallsensors jeweils eine Sensorauswerteeinheit (S1,S2) vorgesehen, welche Mittel zum Erfassen einer Spannung (hier als Operationsverstärker skizziert) auf zumindest einem der elektrischen Leiter aufweist. Zudem sind dort die elektrische Beschaltung für die Erzeugung des Prüfstroms in Form einer vorzugsweise zuschaltbaren Stromquelle (I_TEST) und die elektrische Masseanbindung der Leiter 1 über einen bspw. hochohmigen Widerstand am entgegengesetzten Ende des Leiters 1 skizzenhaft angedeutet. Zudem ist die äußere Abschirmhülle 3 direkt mit Massepotential verbunden.
Die Stromquelle kann auch permanent eingeschaltet bzw. nicht schaltbar ausgestaltet sein. Der Widerstand sollte einen Wert aufweisen, bei dem der Prüfstrom eine auswertbare Spannung ergibt. Man könnte die Prüfung auch nur bei Zündung „Ein“ machen (wie z.B. viele Funktionen einer ECU in einem Airbagsystem). Dazu würde man bei Zündung „Ein“ einen (Mess)Widerstand an das Leiterende schalten.
Der Leiter kann jedoch auch als Ringleiter über die Crashzone verlegt und zurückgeführt und die Sensorauswerteeinheit (S1,S2) baulich in ein Gehäuse integriert oder in einem Multiplexbetrieb eine einzige Sensorauswerteeinheit wechselweise mit den Leitern verbunden sein.
Zudem ist denkbar, dass am Aufprallsensor Außen in einem für die Temperaturverhältnisse am Aufprallsensor noch hinreichend kurzen Abstand oder im Aufprallsensor, also innerhalb diesem, ein Temperatursensor vorgesehen ist und anhand der Temperatur und einer Temperaturkennlinie Temperatureinflüsse im Messsignal reduziert werden. Dazu kann als Temperatursensor sowohl ein separater Sensor, wie bspw. ein PTI-Element, verwendet werden oder eine entsprechende Schaltung am Draht selbst, bspw. durch Bestromung von diesem und Spannungsmessung der temperaturabhängige Innenwiderstand des Leiters.
Zudem ist denkbar, dass ein Feuchtigkeitssensor vorgesehen ist. Feuchtigkeit kann die mechanische Reibung und insbesondere den triboelektrischen Effekt ebenfalls beeinflussen und kann ein entsprechendes Signal eines Feuchtigkeitssensors genutzt werden, um evtl. Störungen am Aufprallsensor zu erkennen und den Fahrer zu warnen oder anhand der gemessenen Feuchtigkeit und einer Kennlinie deren Einfluss im Signal des Aufprallsensors zu reduzieren.
Während die Ladungsverschiebung grundsätzlich auch als Spannung direkt am Leiter messbar ist, erweist sich eine Erfassung mittels einer Ladungsverstärkerschaltung als besonders vorteilhaft. Ladungsverstärkerschaltungen sind allgemein bekannt. So ist bspw. eine entsprechende Schaltung von Jan Burgemeister als Quelle und Urheber am 22.10.2009 in Wikipedia unter:

http://de.wikipedia.org/w/index. php?title= Datei: Ladungsverstaerker. gif&filetimestam p=200 91024202255&
zu entnehmen und unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungsverst%C3%A4rker
näher erläutert. Dabei wäre der dort als Masseanschluss gezeigte Pfad entweder tatsächlich auf Massepotential der Schaltung, also bspw. auch die Schirmung des Kabels geschaltet oder denkbar auch auf eine separate Rückleitung wie bspw. bei einer Ringleiteranordnung. Eine Messung der Ladungsverschiebung bspw. mittels einer solchen Ladungsverstärkerschaltung hat gegenüber der direkten Spannungsmessung Vorteile, ist bspw. weniger EMV-anfällig und ermöglicht einer Verstärkung der ja an sich relativ geringen Ladungsverschiebung durch den triboelektrischen Effekt.

Claims

Kraftfahrzeug mit einem Aufprallsensor im Außenbereich des Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem elektrischen Leiter, bei welchem eine elektrische Eigenschaft des Leiters bei einem Aufprall beeinflusst wird und aus dieser Beeinflussung das Vorliegen eines Aufpralls erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Leiter (1) aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material ist und in Berührung mit einem zweiten Material (2) angeordnet ist, wobei das zweite Material gegenüber dem ersten Material zumindest einen vorgegebenen Unterschied in der Elektronenaffinität aufweist und bei einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter (1) und/oder das zweite Material (2) relativ zueinander unter Erzeugung von Reibung zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich sind und die durch diese Reibung zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter (1) entstehende, elektrische Ladungsverschiebung erfasst wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufprallsensor als ein Rundkabel aufgebaut ist, wobei der elektrische Leiter (1) im Inneren des zweiten Materials (2) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufprallsensor als ein Flachleiter ausgebildet ist, wobei der elektrische Leiter (1) zumindest eine Reibefläche zum zweiten Material (2) aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufprallsensor eine äußere elektrisch leitende Abschirmhülle (3) aufweist, welche elektrisch auf Massepotential geschaltet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (1) zur Prüfung auf Intaktheit der Leitung mit einem Prüfstrom (I_TEST) beaufschlagbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufprallsensor im Inneren zwei voneinander elektrisch isolierte elektrische Leiter aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Temperatursensor am oder im Aufprallsensor.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Feuchtigkeitssensor am oder im Aufprallsensor.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsverschiebung mittels einer Ladungsverstärkerschaltung erfasst wird.