DE102005007061A1

DE102005007061A1 - Vorrichtung zur Energieversorgung

Info

Publication number: DE102005007061A1
Application number: DE102005007061A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Gensler; Balint Sipos; Heinrich Dr. Zeininger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-17
Also published as: WO2006087304A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung, insbesondere zur miniaturisierten Energieversorgung bei Sendermodulen oder elektronischen Schaltungen, auch bei solchen auf organischer Basis, vor allem in sich bewegenden, dynamischen Systemen. Dazu wird ein Piezomodul mit einer Schaltung zur Aufladung eines Energiespeichers genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung, insbesondere zur miniaturisierten Energieversorgung bei Sendermodulen oder elektronischen Schaltungen, auch bei solchen auf organischer Basis, vor allem in sich bewegenden, dynamischen Systemen.

Es gibt schnell bewegte Systeme beispielsweise am Körper getragene Gegenstände (Bekleidung, Schuhe) oder ein Kraftfahrzeug, bei denen verschiedenste Verbraucher mit geringem Energiebedarf, wie CMOS-Schaltkreise und das LCD-Display einer Armbanduhr oder Sensoren im Kraftfahrzeug, mit Energie versorgt werden müssen. Bisher werden derartige Niedrig-Verbraucher mit kleinen Batterien versorgt, etwa mit Knopfzellen oder ähnlichem.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine autarke Energieversorgung bei Verbrauchern mit geringem Energiebedarf, die in einem System mit schnell bewegten Teilen gelagert sind, zu schaffen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Energieversorgung, zumindest ein Piezomodul und ein Speicherelement umfassend, wobei das Piezomodul an ein sich bewegendes System derart gekoppelt ist, dass durch kontinuierliche mechanische Impulse Strom erzeugbar ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Piezomodul nicht nur zur Spannungserzeugung genutzt, sondern auch als Sensor, insbesondere als Drucksensor, beispielsweise in Autoreifen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Piezomodul zumindest eine Piezofolie wie beispielsweise eine Folie aus hoch-polarisiertem Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder einer Schicht aus PZT-Keramik (Blei-Zirkonat-Titanat) auf Stahlfolie. Insbesondere können auch mehrere Folien parallel geschaltet werden, so dass daraus eine Erhöhung der erzeugten Ladungsdichte resultiert. Die Reihenschaltung mehrerer Piezofolien liefert dagegen eine höhere Spannung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden mehrere Piezofolien in einem Laminat zusammengeklebt und elektrisch parallel oder seriell geschaltet.

Die Piezofolien sind bekannt und eignen sich gut zur Erfassung dynamischer Vorgänge, wie Druckschwankungen, Schwingungen und/oder Wechsellasten, deshalb werden sie auch bekanntermaßen als Sensoren eingesetzt. Diese Funktionalität kann gemäß der Erfindung neben der Energieerzeugung ungehindert weiter genutzt werden.

Die Piezofolien entwickeln beim Einwirken einer äußeren Kraft eine elektrische Ladungsverschiebung, die über die metallisch beschichteten Außenflächen (Elektroden) als Spannung abgegriffen werden kann. Diese Art Folien werden bekanntermaßen bei Sensoren bereits genutzt in Form des direkten piezoelektrischen Effekts und bei Aktuatoren nutzt man den inversen piezoelektrischen Effekt.

Die elektrischen Eigenschaften variieren mit der Richtung der angreifenden Kraft oder der Dehnung oder Biegung der Folie. Beim Verbiegen der Folie in eine Richtung wird beispielsweise eine positive Spannung erzeugt, beim Zurückfedern oder Verbiegen der Folien in die Gegenrichtung wird ein gegen gepolter Spannungsimpuls erzeugt. Die Amplitude ist von der mechanischen Verformung im Piezomaterial, d.h. vom Auslenkungswinkel und von der Geschwindigkeit der Auslenkung abhängig. In den genannten Piezomaterialien werden hohe Spannungen und hohe Ladungsdichten generiert und nach einer Zweiwegegleichrichtung (Brückengleichrichter) in einen nach geschalteten Kondensator eingespeist.

Die autarke Energieerzeugung wird bei periodisch, dynamisch mechanischer Belastung eines Piezomoduls, z.B. durch Verbiegen der Folie, erreicht. Über die Einspeisung in den Kondensator kann die erzeugte Ladung gespeichert und als elektrische Energie nutzbar gemacht werden.

Insbesondere gut geeignet sind schnell bewegte elastische Systeme mit Frequenzen von „<1 bis >50 Hz". Die Folien selbst sind in der Lage Frequenzen von über 1 MHz zu verarbeiten. Eine einzige Auslenkung liefert so viel Energie, dass beispielsweise eine organische LED deutlich erkennbar aufleuchtet. Mit der Energie einer mit ca. 50 HZ periodisch bewegten Folie können beispielsweise Informationen eines Transponders übertragen und/oder CMOS-Komponenten geschaltet werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Piezomodule parallel geschaltet. Durch Parallelschaltung der Folien wird die pro Zeiteinheit erzeugte Ladungsmenge entsprechend vervielfacht. Für die Demonstration des Effekts werden 3 Folien (Länge 30mm; Breite: 12mm) mit einer Dicke der Piezoschicht von jeweils 28 μm miteinander verklebt und parallel geschaltet. Die Folien werden mit einer Frequenz von <1Hz um ca. 1 cm ausgelenkt.

Um möglichst hohe Piezospannungsamplitude zu erhalten, wird in der Piezoschicht eine hohe mechanische Spannung erzeugt. Dies wird dadurch erreicht, dass die weiche Piezoschicht auf ein federelastisches Substrat mit ausreichend hoher Steifigkeit (Z. B. Folien aus PET oder Metall) aufgebracht wird.

Mit der Steifigkeit werden die in der Piezoschicht erzeugte mechanische Spannung und damit die elektrische Spannungsamplitude erhöht.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand eines Schaltschemas zu einer Ausführungsform der Erfindung, das in der 1 gezeigt ist, näher erläutert.
Die 1 zeigt eine Testschaltung zur Aufladung eines Kondensators, an den ein Niedrig-Energieverbraucher angeschaltet ist.
Von links nach rechts ist Folgendes zu sehen: Zunächst die in Schwingung versetzte Piezofolie, oder die parallel geschalteten Piezofolien 1, an deren Elektroden die erzeugte Ladung abgegriffen wird und über die Leitungen 2 zum Brückengleichrichter 3, 4 einzelne Dioden (durch die in der Mitte gezeichnete Diode repräsentiert) umfassend, gelangt. Dort wird die ursprüngliche Wechselspannung in eine Gleichspannung, allerdings in eine pulsierende Gleichspannung, gewandelt. Vom Gleichrichter 3 aus wird die Spannung über die Leitungen 4 zum Kondensator 5 geleitet, der die pulsierende Gleichspannung in eine geglättete konstante Gleichspannung zur Versorgung des Niedrig-Energie-Verbrauchers wandelt. Da die gewonnene Ladungsdichte aus den Piezofolien relativ gering ist, kann bei den meisten Anwendungen auf eine elektronische Stabilisierung der Spannung verzichtet werden. Die Spannungshöhe stellt sich dann anhand der Innenwiderstände von Spannungsquelle und Verbraucher ein.
Unter Umständen kann ein Vorwiderstand 7 in die Leitung 4 eingebaut sein.
Beispiel 1:
Verbraucher wird laufend versorgt
Um einen Verbraucher mit niedrigem Energiebedarf (z.B. CMOS Schaltung und LCD (Liquid Christal) Display einer Armbanduhr aus den laufenden Folienimpulsen kontinuierlich mit einer genügend stabilen Gleichspannung zu versorgen, reicht es aus, die Folie mit ca. 2–3 Hz schwingen zu lassen, und einen Glät tungskondensator mit einigen μF Kapazität einzusetzen, der die Impulsenergie in den Pausezeiten puffert und die gewünschte Spannungshöhe konstant hält. In dem Beispiel beträgt die Folienschwingfrequenz ca. 3 Hz, die Peakamplitude nach dem Gleichrichter ca. 25V. Dadurch lässt sich an dem Verbraucher eine konstante Gleichspannung von 4V (Volt) erzeugen, bei einer Kapazität des Kondensators von ca. 4,7 μF (Mikrofarad).
Beispiel 2:
Laufende Versorgung mit langer Überbrückungszeit
Laden eines 220μF Kondensators als Pufferspeicher und gleichzeitiges Betreiben einer LCD-Armbanduhr. Laden von 1.5 auf 6V in 3 Minuten. Entladen mit angeschlossener Uhr von 6V auf 1.5V in 8 Minuten. Durch die große Kondensatorkapazität kann ein Folienstillstand von ca. 8 Minuten überbrückt werden. Die Aufladezeit ist aber auch entsprechend länger (ca. 3 Min.), als im Beispiel 1.
Beispiel 3:
Periodische Versorgung
Bei Verbrauchern, die nur periodisch in größeren Zeitabständen versorgt werden sollen, können Kondensatoren mit hoher Kapazität als Energiespeicher verwendet werden. Die ohmschen Verluste der Energiequelle (d.h. der Piezofolie) sind so gering, dass der Kondensator rückwärts kaum entladen kann, und die gewünschte Spannung zu einem späteren Zeitpunkt am Kondensator für den Verbraucher zur Verfügung steht.
Um die Energiequelle (Piezofolie, PZT-Schicht) durch den Speicherkondensator und Verbraucher nicht zu stark zu bedämpfen, d.h. den Ladestrom zu begrenzen, kann ein Vorwiderstand beim Laden erforderlich sein. Für diese Betriebsart kann aber auch ein Schalter 8 (1) vorgesehen werden, der so geschaltet ist, dass der Kondensator gleichzeitig nur geladen oder nur entladen werden kann.
Beispiel 4:
Langzeitspeicherung
Für die Langzeitspeicherung der aus der Auslenkung der Folien generierten Energie können so genannte gold cap Kondensatoren und/oder Knopfzellen-Akkus eingesetzt werden. Durch die hohe Kapazität dieser Speicher ist auch die Ladezeit entsprechend länger. Als „gold caps" werden Elektrolytkondensatoren mit extrem hoher Kapazität und hohe Güte (sehr niedrige ohmsche und dielektrische Verluste) bei sehr kompakter Bauweise bezeichnet. Die Spannung nimmt über 24 h um weniger als 10% ab.
Vorteil der Kondensatoren zur Energiespeicherung (auch von „gold caps") ist, dass die gespeicherte Energie in sehr kurzer Zeit entnommen werden kann, aber mit einer exponentiell abnehmenden Entladecharakteristik. Akkus dagegen lassen sich zwar nicht so schnell entladen, halten aber ihre Spannung bis zuletzt konstant.
In 2 wird gezeigt, wie die Energiegewinnung durch Piezo-Folien nach der Erfindung durch Parallelschaltung der Folien noch gesteigert werden kann.
Es wird ein Laminat 8 aus mehreren Piezo-Folien 1, bevorzugt PVDF-Piezo-Folien, durch einfaches Verkleben der Folien 1 über einen elektrisch isolierenden Kleber 9 oder Klebstoff-Film 9, gebildet. An den Rändern 10 der Folien kann die durch Schwingung erzeugte Spannung wie an Elektroden 11 abgegriffen werden.
In 3 ist gezeigt, welche Spannung durch die Auslenkung der Folie erzeugbar ist.
In der Graphik, die ein Spannungs-/Zeit Diagramm und eine schematische Darstellung der Folie oder des Folienlaminats umfasst, sieht man das Spannungssignal einer PZT-Schicht auf Stahl-Folie links bei der Auslenkung nach oben und im rechten Teil der Graphik bei der Auslenkung nach unten.
Bei einer Anordnung von nur wenigen Folien liegt die generierte Energie im Bereich von 100μJ -Joule-, bei einer Stapelanordnung der Piezomodule kann der Effekt noch erhöht werden. Im nach geschalteten Kondensator oder Akku kann diese Energie zwischengespeichert (gepuffert), und ständig nachgeladen werden.
Obwohl das Dielektrikum eines Kondensators im Idealfall ein Isolator ist, besitzt das Dielektrikum eine sehr geringe, aber noch endliche Leitfähigkeit. Dies ist ein unerwünschter Verlustwiderstand. Im Wechselstromkreis kommen noch durch das ständige Umpolen der Spannung, dielektrische Verluste dazu (Es führt zur Erwärmung des Dielektrikums). Wird ein Kondensator in einem sinusförmigen Wechselstromkreis betrieben, ergibt sich bei der vektoriellen Addition der Wirk- und Blindkomponenten der Ströme je nach Höhe der Verluste ein Phasenwinkel Phi, und der Ergänzungswinkel zu 90° "Delta". Der Verlustfaktor ist als die Steilheit dieses Winkels, also "Tangens Delta" definiert. Dessen Kehrwert ist der Gütefaktor "Q".
Zur schnellen und hohen Aufladung sollte die Biegung/Auslenkung der Piezofolien mit einer relativ hohen Frequenz (>20Hz) erfolgen. Die Piezofolie selbst kann bei sehr hohen Frequenzen (> 1 MHz) betrieben werden. Bei geeignete Verbundsystemen mit entsprechend schneller Rückstellzeit wie in Automobilreifen sind Frequenzen >200 Hz (Hertz) durchaus erfindungsgemäß einsetzbar. Die Empfindlichkeit von PZT-Schichten ist höher als piezoelektrische Polymerfolien.
Die flexiblen Piezoelemente können zusammen mit passiven elektronischen Transpondern/in Kombination mit einfachen Sensoren eingesetzt werden. Zusätzlich ist es möglich, die Piezofolie als Drucksensor beispielsweise in einem Autoreifen, zu nutzen.
Durch die Erfindung ist erstmals die Nutzung der dynamisch mit Hilfe eines Piezomoduls erzeugten elektrischen Ladungen über eine geeignete Schaltanordnung mit einem Speicherelement, z.B. Kondensator oder Akku möglich.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung, insbesondere zur miniaturisierten Energieversorgung bei Sendermodulen oder elektronischen Schaltungen, auch bei solchen auf organischer Basis, vor allem in sich bewegenden, dynamischen Systemen. Dazu wird ein Piezomodul mit einer Schaltung zur Aufladung eines Energiespeichers genutzt.

Claims

Vorrichtung zur Energieversorgung, zumindest ein Piezomodul und ein Speicherelement umfassend, wobei das Piezomodul an ein sich bewegendes System derart gekoppelt ist, dass durch kontinuierliche mechanische Impulse Strom erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Piezomodul nicht nur zur Spannungserzeugung sondern auch als Sensor nutzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung insbesondere bei kleinen Geräten wie miniaturisierten Sender- und/oder Sensormodulen und/oder in der Elektronik eingesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Piezomodul zumindest eine Piezofolie umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Piezomodul mehrere parallel geschaltete Piezofolien umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Piezomodul zumindest ein Laminat aus mehreren parallel geschalteten Piezofolien umfasst.