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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Verwendungen gemäß den Nebenansprüchen.
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Zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie werden insbesondere Piezoelemente, beispielsweise in Form eines Multilayers als Energiewandler für ein sog. Energy Harvesting (EH) verwendet. Piezoelektrische Energiewandler können im Zeitverlauf, begünstigt durch äußere Einflüsse wie es beispielsweise Druck und Temperatur sind, depolarisieren bzw. teil-depolarisieren. Dies betrifft vor allem Piezoelemente aus sog. weichen Piezomaterialien, welche einen geringen Koerzitivdruck aufweisen. Diese Depolarisation bzw. Teil-Depolarisation verschlechtert die elektrische Ausgangsleistung der Energiewandlung. Harte Piezomaterialien zeigen, bedingt durch hohe Koerzitivdrücke, derartige Teil-Depolarisationen in lediglich geringem Maße. Derartige harte Materialien weisen aber in der Regel eine geringere elektrische Ausgangsleistung im Vergleich zu elektrischen Ausgangsleistungen von Materialien aus weichen Piezomaterialien auf.
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Herkömmlicherweise werden piezoelektrische Energiewandler verwendet, bei denen eine elektrische Beschaltung aus einer Gleichrichterschaltung mit einer anschließenden Impedanzanpassung an einen Energiespeicher und einen Energieverbraucher besteht. Bei einer herkömmlichen Anordnung findet beispielsweise keine Nachpolung des Piezoelements statt. Naheliegend wäre es, die im Energiespeicher gesammelte Energie mittels einer separaten Nachpolungsschaltung in bestimmten Zeitabständen nachzupolen. Dies hätte allerdings den Nachteil, dass dazu ein Teil der gespeicherten Energie benötigt wird und sich damit der Wandlungswirkungsgrad verringert. Eine derartige Nachpolungsschaltung erfordert jedoch ebenso einen schaltungstechnischen Aufwand. Herkömmlicherweise werden Energiewandler verwendet, bei denen eine elektrische Schaltung aus einer Gleichrichterschaltung mit anschließender Impedanzanpassung an einen Energiespeicher und einem Energieverbraucher besteht. Eine Anpassung der Impedanz wird beispielsweise mittels sog. Boost-Konverter, Step-Down-Konverter oder Ladungspumpen ausgeführt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einem Piezoelement zur Erzeugung von elektrischer Energie aus, insbesondere schmalbandigen, mechanischen Vibrationen eine elektrische Ausgangsleistung zu erhöhen. Insbesondere sollen ein im Piezoelement gespeicherter kapazitiver Energieanteil nutzbar sein und eine elektrische Ausgangsspannung unter Last sowie eine elektrische Ausgangsleistung erhöht werden. Eine mechanische Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Energiewandlers soll elektrisch an eine Frequenz der mechanischen Vibrationen anpassbar sein. Es soll eine elektrische Auskopplung insbesondere für den Fall einer Energieerzeugung aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f wirksam verbessert werden. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f bereitgestellt, wobei die Vorrichtung folgende Einrichtung aufweist: Ein mittels der mechanischen Vibrationen bewegtes Piezoelement zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung; eine Impedanzanpassungseinrichtung zur Anpassung der Impedanz des Piezoelements optionalen Gleichrichter, einen elektrisch angeschlossenen kapazitiven Energiespeicher CS und einen zum Energiespeicher CS elektrisch parallel geschalteten Energieverbraucher R, an dem eine Ausgangsspannung U anliegt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an das Piezoelement ein induktives Element L derart elektrisch angeschlossen ist, dass mittels des induktiven Elements L und einer Kapazität C ein elektrischer Parallelschwingkreis ausgebildet wird. Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung und einer elektrischen Ausgangsleistung verwendet.
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Mittels einer direkten Beschaltung eines Piezoelements mit zumindest einem induktiven Element L wird auf einfache und wirksame Weise eine elektrische Ausgangsleistung erhöht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das induktive Element L zwischen beiden Polen der Ausgangsspannung U elektrisch in Serie zum Piezoelement angeschlossen sein und das kapazitives Element C elektrisch parallel zum induktiven Element L elektrisch angeschlossen sein. Eine elektrische Beschaltung eines Piezoelements gemäß dieser Ausgestaltung verwendet die aus der mechanischen Energie gewonnene elektrische Energie gleichzeitig zum Nachpolen des piezoelektrischen Elements für den Fall einer Energieerzeugung aus schmalbandigen mechanischen Vibrationen einer Frequenz f. Mittels einer direkten Beschaltung eines Piezoelements mit einem induktiven Element L und einem kapazitiven Element C kann die elektrische Ausgangsleistung erhöht werden. Hierbei wird durch eine elektrische Resonanz eine elektrische Ausgangsspannung vervielfacht. Die durch eine Resonanz erhöhte Ausgangsspannung U kann unmittelbar über die Induktivität L das Piezoelement nachpolen. Aufgrund dieser permanenten Nachpolung ist der Energieaufwand hierzu sehr gering und kommt direkt dem Wirkungsgrad der Energiewandlung zugute. Der erforderliche Beschaltungsaufwand ist gering. Mit dieser elektrischen Beschaltung wird ein langzeitstabiler Betrieb mit hohem Wirkungsgrad des Energiewandlers bewirkt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das induktive Element L elektrisch parallel zum Piezoelement angeschlossen sein und das kapazitive Element C als ein kapazitiver Teil Cel des Piezoelements bereitgestellt sein. Hierbei weist das induktive Element L eine passende Größe auf. Diese Induktivität wird derart bereitgestellt, dass diese einen kapazitiven Teil Cel des Piezoelements möglichst gut kompensiert. Hierbei bilden Cel und L bei der Resonanzfrequenz f einen hochohmigen Parallelschwingkreis.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das induktive Element L elektrisch parallel zum Piezoelement und ein weiteres kapazitives Element CW elektrisch parallel zu dem induktiven Element L elektrisch angeschlossen sein. Auf diese Weise kann das kapazitive Element C aus dem kapazitiven Teil Cel des Piezoelements und einer elektrisch parallel zum induktiven Element L und dem Piezoelement angeschlossenen weiteren Kapazität CW erzeugt sein. Durch die Parallelschaltung eines derartigen kapazitiven Elements C zum induktiven Element L lässt sich bei gleicher Resonanzfrequenz eine Größe der erforderlichen Induktivität wirksam verkleinern.
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Gemäß den drei vorstehend genannten vorteilhaften Ausgestaltungen kann ein in einem Piezoelement gespeicherter kapazitiver und sonst ungenutzter elektrischer Energieanteil einer Energiewandlung ausgekoppelt werden. Auf diese Weise können besonders vorteilhaft piezoelektrische Materialien mit niedrigem Kopplungsfaktor für eine Energieerzeugung mittels Piezoelementen verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch eine elektrische Resonanz, eine elektrische Ausgangsspannung unter Last wirksam je nach Kopplungsfaktor um 50 bis 100% vergrößert werden kann. Dies bewirkt ebenso Leistungssteigerungen um 100 bis 300%. Zudem ist eine mechanische Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Energiewandlers mittels einer Dimensionierung der Induktivität L auf die vorgegebene Frequenz f der mechanischen Vibration F(t) = Fmax·sin(2π·f·t) (1) anpassbar. Dies ist besonders vorteilhaft, da diese Anpassung lediglich mechanisch ausführbar ist. Mechanische Anpassungen sind aufwändiger und nachträglich nahezu unmöglich. Es ist beispielsweise möglich, die Resonanzfrequenz durch einfaches Umschalten verschiedener Kapazitäten und Induktivitäten, bei unveränderter Mechanik eines Energiewandler-Moduls zu variieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Diode elektrisch parallel zum Piezoelement und in Sperrrichtung zur Spannung des Piezoelements angeschlossen sein. Eine Gleichrichtung mittels einer zum Piezoelement parallel geschalteten Diode bewirkt folgende Vorteile: Es können elektrische Spannungen, die gegen die Polung gerichtet sind und zur zusätzlichen Depolarisation eines Piezoelements führen können, vermieden werden; im Vergleich zu einer herkömmlichen Brückengleichrichtung kann eine Spannungsverdoppelung bewirkt werden. Des Weiteren wird eine Impedanzverdopplung bereitgestellt, wobei dies vorteilhaft sein kann, wenn auf diese Weise eine Impedanzwandlung vermieden werden kann. Des Weiteren werden Spannungsverluste durch eine Flussspannung einer Diode im Vergleich zu einer Brückenschaltung halbiert. Des Weiteren sind im Vergleich zu einer herkömmlichen Brückengleichrichtung weniger Bauteile erforderlich, so dass sich daraus Kostenvorteile und Vorteile hinsichtlich eines benötigten Bauraumes ergeben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann anstelle oder in Ergänzung zu einer Diode ein aktiver Gleichrichter als steuerbarer elektronischer Schalter elektrisch angeschlossen sein, der bei einem Polaritätswechsel durch eine Ansteuerschaltung synchron zu einem Nulldurchgang öffnet oder schließt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Brückengleichrichterschaltung elektrisch parallel zum Piezoelement oder elektrisch parallel zu dem kapazitiven Energiespeicher CS angeschlossen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kapazität des kapazitiven Energiespeichers CS mindestens 10 mal so groß als die Kapazität des kapazitiven Elements C sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Material des Piezoelements ein weiches Piezomaterial oder hartes Blei-Zirkonat-Titanat sein oder das Material einen kleinen Kopplungsfaktor aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der kapazitive Energiespeicher CS ein Doppelschicht-Kondensator sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Impedanzanpassungseinrichtung ein Boost-Konverter, ein Step-Down-Konverter oder eine Ladungspumpe sein.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figurennäher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f, wobei auf ein Piezoelement 1 eine zeitabhängige Kraft F(t) wirkt. Das Piezoelement 1 erzeugt infolge der mechanischen Vibrationen durch Bewegung eine elektrische Wechselspannung. Das Piezoelement versorgt einen elektrischen Energieverbraucher R mit einer Ausgangsspannung U beziehungsweise einer dazugehörigen Ausgangsleistung. Zwischen dem Piezoelement 1 und dem Energieverbraucher R ist parallel zum Energieverbraucher R elektrisch ein Energiespeicher CS elektrisch parallel geschaltet. An das Piezoelement 1 ist ein induktives Element L elektrisch angeschlossen. Das induktive Element L ist zwischen beiden Polen der Ausgangsspannung U elektrisch in Serie zu Element 1 angeschlossen, wobei ein kapazitives Element C elektrisch parallel zu dem Induktiven Element L elektrisch angeschlossen ist. Mittels der direkten Beschaltung des Piezoelement 1 mit einem induktiven Element L und einem kapazitiven Element C kann eine elektrische Ausgangsleistung erhöht werden. Durch eine Resonanz wird die Ausgangsspannung U vervielfacht. Diese Ausgangsspannung U wird derart gleichgerichtet, das am Piezoelement 1 keine gegen die Polung gerichteten elektrischen Spannungen anliegen und die am Kondensator CS auftretende Spannung U über die als Speicherdrossel wirkende Induktivität L das Piezoelement 1 nachpolt beziehungsweise die Polung aufrechterhält. Für ein ordnungsgemäßes Funktionieren ist es vorteilhaft, wenn die Kapazität CS groß gegen die Kapazität C ist. Eine weitere Beschaltung umfassend eine Impedanzwandlung, Energiespeicherung und Energieverbraucher, bleibt im Vergleich zum Stand der Technik im Wesentlichen unverändert. Folgende Formeln 2 stellen die physikalischen Zusammenhänge dar:
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Beispielhaft können folgende Berechnungen hinsichtlich dieses ersten Ausführungsbeispieles ausgeführt werden. Dazu kann ein typischer Multilayerstapel folgende Daten aufweisen:
Kopplungsfaktor keff = 0,7
Schichtanzahl n = 350
Piezoelektrischer Koeffizient d33 = 950 pm/V
Federsteifigkeit des Piezoelements k = 40 N/μm.
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Die Größe der verwendeten elektrischen Bauteile sind folgende:
Kondensator c = 25 μF
Speicherdrossel L = 27 mH mit RS, der der Serienwiderstand der Wicklung ist,
Speicherkondensator CS = 1 mF und vieles größer als C,
Gleichrichterdiode D, wobei eine Kathode der Diode an einer +-Seite des Piezoelements angeschlossen sein muss. Modellierungsrechnungen ergeben folgende Werte der Ausführung:
Bei einer Vibrationsfrequenz von f = 166 Hz mit einer Kraftamplitude von Fp = 200 N ergibt sich im Resonanzfall eine maximale Polungsspannung Up von 100 V am Piezowandler für RS 1 Ω. Für geringere ohmsche Verluste RS der Speicherdrossel von 0,5 und 0,3 Ω ergeben sich Polungsspannungen UP von entsprechend 200 V und 340 V.
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Für Fp = 100 N ergibt sich im Resonanzfall folgendes:
Mit RS = 1 Ω ergibt sich eine maximale Polungsspannung von 50 V am Piezowandler;
mit RS = 0,5 Ω ergibt sich eine maximale Polungsspannung von 100 V am Piezowandler;
mit RS ist 0,3 Ω ergibt sich eine maximale Polungsspannung von 170 V am Piezowandler.
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Die in diesem Beispiel angegebenen Werte wurden mit einem linearen Modell bestimmt. Durch das nichtlineare Realverhalten des Piezoelements kann es Abweichungen von den optimalen Bauelementwerten geben. Diese optimalen Werte lassen sich am einfachsten durch experimentelles Variieren der Bauelementwerte ermitteln.
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Die durch die Beschaltung gemäß 1 erzeugten Spannungen sind für Multilager-Stacks mit Einzelschichtdicken um 100 μm ausreichend, um Feldstärken zu erzeugen, die oberhalb von Koerzitivfeldstärken von weichen Piezomaterialien liegen. Dadurch wird ein Nachpolungsprozess angeregt, der den für einen guten Wandlerwirkungsgrad notwendigen Polungszustand stabil hält.
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Anstelle einer Diode D ist es möglich, einen sog. aktiven Gleichrichter für eine Synchrongleichrichtung zu verwenden, welcher ein steuerbarer elektronischer Schalter, beispielsweise ein MOSFET ist, der bei einem Polaritätswechsel durch eine Ansteuerschaltung synchron zu einem Nulldurchgang öffnet bzw. schließt. Vorteilhaft ist ein niedriger Spannungsabfall von einigen 10 mV im durchgeschalteten Zustand, wodurch die Energieeffizienz der Schaltung weiter erhöht wird. Dem gegenüber ergibt sich der Nachteil, dass eine notwendige Ansteuerungsschaltung einen Teil der gespeicherten Energie verbraucht. Ob die Vorteile überwiegen, hängt von den gegebenen Strom- bzw. Spannungsbereichen bei der Gleichrichtung ab. Weiterhin muss die Schaltung erst einmal Energie zur Verfügung haben, um eine Gleichrichtung zu verrichten. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass man die Diode D in der Schaltung belässt, so dass der Kondensator CS bis zum Funktionieren der Synchrongleichrichtung aufgeladen wird. Gemäß einer Vorrichtung nach 1 kann eine Nachpolung des Piezoelements 1 erfolgen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung erzeugt elektrische Energie aus mechanischen Vibrationen F(t) einer Frequenz f. Die Vorrichtung weist einen mittels der mechanischen Vibrationen bewegtes Piezoelement 1 zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung auf. Das Piezoelement 1 stellt für einen elektrisch parallel geschalteten Energieverbraucher eine elektrische Leistung bereit. An dem Energieverbraucher R ist ein Energiespeicher CS elektrisch parallel geschaltet. Dieser Energiespeicher CS ist ein kapazitiver Energiespeicher. 2 zeigt zwischen dem Piezoelement 1 und dem kapazitiven Energiespeicher CS eine Brückengleichrichterschaltung 3. Gemäß einer Ausgestaltung ist lediglich ein induktives Element elektrisch parallel zum Piezoelement 1 angeschlossen. Mittels dieser direkten Beschaltung des Piezoelements 1 mit diesem induktiven Element L wird eine elektrische Ausgangsleistung erhöht. Hierbei wird eine Induktivität L passender Größe parallel zum Piezoelement 1 geschaltet. Diese Induktivität wird so bemessen, dass diese den kapazitiven Teil Cel des Piezoelements 1 möglichst gut kompensiert. Hierbei bilden Cel und L bei der Resonanzfrequenz f einen hochohmigen Parallelschwingkreis. Die weitere Beschaltung umfassend Gleichrichtung, Impedanzanpassung, Energiespeicherung für den Energieverbraucher bleibt im Vergleich zum Stand der Technik im Wesentlichen unverändert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Piezoelement 1 als typischer Vielschichtstapel folgende Daten aufweisen:
Kopplungsfaktor keff = 0,7
Schichtanzahl n = 350
Piezoelektrischer Koeffizient d33 = 950 pm/V
Federsteifigkeit des Piezoelements k = 40 N/μm.
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Auf der Grundlage dieser Daten des Piezoelements 1 ergibt sich ein Wert Cel für einen kapazitiven Teil des Piezoelements ein Wert von 4,5 μF. Für eine Resonanzfrequenz von beispielsweise f = 175 Hz müsste eine Induktivität von 184 mH für die Beschaltung des Piezoelements verwendet werden. Eine Speicherdrossel dieser Induktivität wäre nach dem Stand der Technik unhandlich und teuer.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zum induktiven Element L ein zusätzliches kapazitives Element C elektrisch angeschlossen ist. Durch eine derartige Parallelschaltung einer Kapazität C beispielsweise mit einem Wert von C = 25 μF zur Speicherdrossel lässt sich bei einer gleichen Resonanzfrequenz die Größe der erforderlichen Induktivität dieser Speicherdrossel wirksam verkleinern. Die Induktivität beträgt dann lediglich noch L = 27 mH. Dieser Wert lässt sich einfach realisieren. In der Auslegung der Speicherdrossel L ist zu beachten, dass je nach Anregung des Piezoelementes 1 und der Dämpfung des Schwingkreises durch den Stromverbraucher R hohe Ströme durch die Induktivität L fließen können, die zu ohmschen Verlusten durch den Spulendraht und unter Umständen zur Sättigung des Magnetkerns der Speicherdrossel L und so zu weiteren unterwünschten elektrischen Verlusten führen. Diese Verluste würden die elektrische Resonanz des Schwingkreises zu stark bedämpfen und den Energiegewinn reduzieren. Ebenso können die Verluste im Piezomaterial zu einer Bedämpfung des Schwingkreises führen. Hier kann die Verwendung verlustärmerer Piezomaterialien beispielsweise Hart-PZT vorteilhaft sein.
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Ein weiterer Vorteil gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist, dass bei einer reduzierten Energieentnahme durch einen Stromverbraucher R, beispielsweise in einem Bereitschaftsbetrieb der Energiespeicher CS immer weiter aufgeladen wird, bis die Verluste der Schaltung, abhängig von der Güte des Schwingkreises, so groß werden, wie die durch das Piezoelement zugeführte Energie. Die erreichbare Ausgangsspannung kann dann ein Vielfaches der normalen Ausgangsspannung betragen. Dies ist besonders bei Verwendung von sog. Supercaps oder Doppelschicht-Kondensatoren als Energiespeicher wichtig, da deren Ladungsspannung mit steigender Ladeenergie ansteigt und der Ladestrom zum Erliegen kommen würde. Mit den vorstehend genannten Daten und einem ohmschen Widerstand, der 27-mH-Speicherdrossel, von 750 mΩ ergibt sich aus Modellierungsrechnungen eine Steigerung der Ausgangsspannung U nach der Gleichrichtung um 60% und eine Steigerung der elektrischen Ausgangsleistung um 147% an einem leistungsangepassten Widerstand R von 300 Ω. Bei Piezomaterialien mit geringem Kopplungsfaktor keff sind noch größere Steigerungen möglich.
