DE102014103191A1

DE102014103191A1 - Energiespeichervorrichtung für eine Energy-Harvesting-Einrichtung

Info

Publication number: DE102014103191A1
Application number: DE102014103191.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Winkler; Stefan Schwamberger; Rüdiger Hohlwegler
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie, welche von einer Energiequelle empfangen wird, bereit. Die Vorrichtung umfasst Folgendes: – einen Eingang zum Verbinden mit der Energiequelle, – einen ersten und einen zweiten Ausgang zum Versorgen elektrischer Einrichtungen mit elektrischer Leistung, – einen ersten Speicher, welcher mittelbar oder unmittelbar an den Eingang gekoppelt ist, wobei der erste Ausgang an den ersten Speicher gekoppelt ist, – einen zweiten Speicher, welcher mittelbar oder unmittelbar an den zweiten Ausgang gekoppelt ist, wobei eine Kapazität des zweiten Speichers größer ist als eine Kapazität des ersten Speichers, – eine erste Konvertiereinheit, welche zwischen den ersten und den zweiten Speicher gekoppelt ist und eingerichtet ist, Energie von dem ersten Speicher in den zweiten Speicher zu laden, wenn ein Speicherstand des ersten Speichers einen ersten Schwellenwert überschreitet, und Energie von dem zweiten Speicher in den ersten Speicher zu laden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers einen zweiten Schwellenwert unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie, welche von einer Energiequelle, insbesondere von einer Energy-Harvesting-Einrichtung geliefert wird.
Im Zuge eines verstärkten ökologischen und ökonomischen Bewusstseins finden Energy-Harvesting-Einrichtungen in immer mehr Bereichen Anwendung. Unter Energy-Harvesting versteht man dabei die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie in einem Objekt gespeicherter Wärme, Umgebungswärme, Vibrationen, Luftströmungen, Flüssigkeitsströmungen oder Strahlungsenergie, insbesondere aus solarer Strahlung, osmotischem Druck, mechanischem Druck, Schalldruck oder elektromagnetischen Feldern, z. B. zum Versorgen mobiler oder stationärer Nutzeinrichtungen, welche insbesondere ohne Anschluss an das Stromnetz arbeiten. Die Energie wird dabei in kleinen Mengen aus ohnehin lokal vorhandenen Energiequellen geschöpft, so dass auf das Verlegen von Kabeln verzichtet werden kann. Die Montage ist daher ohne großen Aufwand möglich. Ferner ist das System hierdurch praktisch wartungsfrei, da der regelmäßige Austausch von Batterien entfällt. Dies ermöglicht auch einen Betrieb an schwer zugänglichen Stellen.
Beim Energy-Harvesting steht die benötigte elektrische Leistung allerdings oft nicht zu den Zeitpunkten bereit, zu welchen sie von der angeschlossenen Nutzeinrichtung benötigt wird. Es ist daher wünschenswert, die bereitgestellten Energiemengen in einer Speichervorrichtung zu speichern.
Eine Speichervorrichtung für eine Energy-Harvesting-Einrichtung ist beispielsweise aus der US 2007/0182362 A1 bekamt. Die Vorrichtung umfasst eine Energiequelle, einen Supercap-Kondensator, einen Akkumulator sowie eine Steuerungseinheit. Eine Ladungspumpe wird verwendet, um den Kondensator bis zu einer Schwellspannung aufzuladen. Darüber hinaus wird der Akkumulator über den Kondensator geladen. Die Ausgangsleistung wird einer angeschlossenen Last von dem Kondensator bereitgestellt. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass die in dem Akkumulator gespeicherte elektrische Energie zunächst in den Supercap-Kondensator transferiert werden muss, bevor sie von dort der Last bereitgestellt wird.
Aus der US 2011/0084648 A1 ist ferner ein Energiespeichersystem bekannt, welches einen Ultrakondensator und einen Akkumulator aufweist. Ein DC/DC-Wandler ist zwischen den Akkumulator und den Ultrakondensator gekoppelt. Der Ultrakondensator ist ferner an einen DC-Bus gekoppelt, an welchen ein Inverter und ein Motor angeschlossen sind. In einem Lademodus werden der Ultrakondensator und der Akkumulator von dem Motor geladen. In einem Niedrigleistungsmodus wird der DC/DC-Wandler in einem Boost-Modus verwendet, um die Spannung der Batterie auf eine höhere Spannung zu wandeln, um den Motor mit Leistung zu versorgen. Der dabei erreichte Wirkungsgrad ist jedoch gering, da der Wandler sowohl für das Laden als auch für das Entladen des Kondensators und des Akkumulators verwendet wird, d. h. für eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsmodi mit unterschiedlichen Arbeitspunkten ausgelegt ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Speichern und anschließendes Bereitstellen der durch die Energy-Harvesting-Einrichtung gelieferten Energie mit hohem Wirkungsgrad und geringem Leistungsverbrauch zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, das System gemäß Anspruch 21, den Ventilsteller gemäß Anspruch 27, das Verfahren gemäß Anspruch 28 und das maschinenlesbare Medium gemäß Anspruch 35 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie, welche von einer Energiequelle, insbesondere einer Energy-Harvesting-Einrichtung empfangen wird, bereit. Die Vorrichtung umfasst Folgendes:

– einen Eingang zum Verbinden mit der Energiequelle,
– einen ersten und einen zweiten Ausgang zum Versorgen elektrischer Einrichtungen mit elektrischer Leistung,
– einen ersten Speicher, welcher mittelbar oder unmittelbar an den Eingang gekoppelt ist, wobei der erste Ausgang an den ersten Speicher gekoppelt ist,
– einen zweiten Speicher, welcher mittelbar oder unmittelbar an den zweiten Ausgang gekoppelt ist, wobei eine Kapazität des zweiten Speichers größer ist als eine Kapazität des ersten Speichers, und
– eine erste Konvertiereinheit, welche zwischen den ersten und den zweiten Speicher gekoppelt ist und eingerichtet ist, Energie von dem ersten Speicher in den zweiten Speicher zu laden, wenn ein Speicherstand des ersten Speichers einen ersten Schwellenwert überschreitet, und Energie von dem zweiten Speicher in den ersten Speicher zu laden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers einen zweiten Schwellenwert unterschreitet.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die an dem Eingang bereitgestellte Energie zunächst in den ersten Speicher gespeichert. Sobald der Speicherstand des ersten Speichers einen ersten Schwellenwert überschreitet, wird die weiterhin durch die Energiequelle an dem Eingang zur Verfügung gestellte Energie in den zweiten. Speicher gespeichert. Elektrische Energie wird von der Vorrichtung sowohl über den ersten als auch über den zweiten Ausgang bereitgestellt. Wenn die am Eingang der Vorrichtung empfangene Leistung geringer ist als die aktuell am ersten Ausgang entnommene Leistung, sinkt der Speicherstand des ersten Speichers. Sobald der Speicherstand des ersten Speichers einen zweiten Schwellenwert unterschreitet, wird deshalb elektrische Energie mittels der ersten Konvertiereinheit von dem zweiten Speicher zurück in den ersten Speicher geladen.
Aufgrund seiner geringen Kapazität wird der erste Speicher schnell aufgeladen, sobald elektrische Energie am Eingang der Vorrichtung bereitsteht. Auf diese Weise zeigt der an den ersten Speicher gekoppelte erste Ausgang relativ schnell einen Spannungswert, welcher ausreicht, um eine Nutzeinrichtung wie beispielsweise einen RF-Sender/Empfänger zu betreiben. Der erste Ausgang kann dabei unmittelbar mit dem ersten Speicher verbunden sein. Wenn über einen längeren Zeitraum ausreichend elektrische Energie an den Eingang geliefert wird, lädt die erste Konvertiereinheit elektrische Energie in den zweiten Speicher. Dieser wird zum Einen im Bedarfsfall für ein Wiederauffüllen des ersten Speichers genutzt wie oben beschrieben.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner eine zweite Konvertiereinheit auf, welche zwischen den zweiten Speicher und den zweiten Ausgang der Speichervorrichtung geschaltet ist. Da die zweite Konvertiereinheit in bevorzugten Ausführungsformen nur der Leistungsbereitstellung am zweiten Ausgang dient, kann sie gezielt auf die Anforderungen einer angeschlossenen Nutzeinrichtung abgestimmt werden, indem der Arbeitspunkt, d. h. die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom, gezielt auf die Nutzeinrichtung eingestellt wird. So kann beispielsweise an den zweiten Ausgang ein Elektromotor angeschlossen werden. Da dieser in der Regel einen höheren Energiebedarf aufweist, ist es sinnvoll, dass er durch den zweiten Speicher mit elektrischer Energie versorgt wird, ohne dass die elektrische Energie dem zweiten Speicher zunächst entnommen, durch die erste Konvertiereinheit gewandelt und in den ersten Speicher gespeichert wird, bevor sie von dort dem Elektromotor zugeführt wird. Vielmehr kann die zweite Konvertiereinheit dem zweiten Speicher die benötigte Leistung entnehmen und an dem zweiten Ausgang ohne Umweg über den ersten Speicher bereitstellen, wodurch ein hoher Wirkungsgrad bei der Bereitstellung der gespeicherten Energie erreicht wird. Das erfindungsgemäße Prinzip funktioniert dabei für unterschiedliche Spannungsbereiche und Spannungskonfigurationen. So kann das Verhältnis der Spannungspotentiale beider Speicher bis zu einem Faktor 1000 oder mehr betragen, wobei entweder der zweite Speicher oder der erste Speicher auf einem höheren Spannungspotential liegen kann. Das Verhältnis der Spannungspotentiale und/oder Normspannungen des ersten und des zweiten Speichers kann z. B. größer als 10, bevorzugt größer als 100 und besonders bevorzugt größer als 1000 sein. Das Verhältnis der Spannungspotentiale und/oder Normspannungen des ersten und des zweiten Speichers kann beispielsweise zwischen 10 und 100 und insbesondere etwa 20 sein. Es ist in einigen Ausführungsformen auch eine vollständige galvanische Trennung der beiden Speicher möglich, zum Beispiel mittels eines Transformators oder eines Optokopplers. Insbesondere ist es auch möglich, einen der Speicher vollständig zu entladen und die Schaltung trotzdem nahe ihrem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die zweite Konvertiereinheit einen DC/DC-Wandler, insbesondere einen unidirektionalen DC/DC-Wandler, z. B. einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler. Wie oben beschrieben ist, ermöglicht ein DC/DC-Wandler einen Aufbau der Konvertiereinheit mit nur wenigen Bauelementen. Das Vorsehen eines unidirektionalen Wandlers an dieser Stelle hat ferner den Vorteil, dass weitere Bauelemente eingespart werden können. Dies ist insbesondere in Ausführungsformen vorteilhaft, in welchen nicht vorgesehen ist, dass der zweite Speicher über den zweiten Ausgang aufgeladen wird. In Ausführungsformen, in welchen der zweite Ausgang auch zum Aufladen des zweiten Speichers benutzt wird, kann vorgesehen sein, dass die zweite Konvertiereinheit ein bidirektionaler DC/DC-Wandler ist.
Insbesondere bei einer Ausbildung des DC/DC-Wandlers der zweiten Konvertiereinheit als Aufwärtswandler kann der DC/DC-Wandler eine Induktivität zwischen 10 μH und 500 μH, bevorzugt zwischen 30 μH und 100 μH umfassen. Dies ist insbesondere für den Betrieb eines Elektromotors zur Ventilverstellung vorteilhaft. Zum Beispiel kann die Erfindung bei einem Gleichstrommotor verwendet werden, der typischerweise eine Induktivität von 33 μH (bei circa 3,5 V und 100 mA) aufweist. Sie kann aber auch zum Versorgen eines RF-Senders/Empfängers eingesetzt werden, der typischerweise eine Induktivität von etwa 100 μH (bei circa 3 V und 40 mA) aufweist, oder auch zum Versorgen eines eInk-Displays mit einer typischen Induktivität von circa 330 μH (bei circa 20 V und 1 mA).
Die zweite Konvertiereinheit kann eingerichtet sein, an dem zweiten Ausgang einen Strom von zwischen 10 mA und 500 mA, insbesondere zwischen 70 mA und 300 mA und bevorzugt zwischen 100 mA und 200 mA bereitzustellen. Dies ist insbesondere für den Betrieb eines Elektromotors, z. B. zur Verstellung eines Heizungsventils, vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die erste und die zweiten Konvertiereinheit von einer gemeinsamen und/oder einzigen Steuerlogik gesteuert. Auf diese Weise können weitere Bauelemente eingespart werden. Ferner wird es hierdurch ermöglicht, dass der Betrieb der ersten und der zweiten Konvertiereinheit aufeinander abgestimmt ist, so dass die Vorrichtung insgesamt möglichst effizient arbeitet. Die Steuerlogik kann z. B. mit dem ersten und/oder zweiten Ausgang der Vorrichtung gekoppelt sein, um die Steuerlogik mit elektrischer Leistung zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerlogik mit einer oder mehreren Nutzeinrichtungen, welche an den ersten bzw. zweiten Ausgang der Vorrichtung gekoppelt sind, verbunden sein. Auf diese Weise kann die Nutzeinrichtung mit Informationen z. B. bezüglich der von der Vorrichtung bereitgestellten Leistung versorgt werden. Die Steuerlogik kann mit dem Eingang der Schaltung, dem ersten Speicher und/oder dem zweiten Speicher verbunden sein. Die Steuerlogik kann die erste und/oder zweite Konvertiereinheit abhängig von einem Ladezustand des ersten und/oder zweiten Speichers und/oder einer an dem Eingang vorhandenen Spannung ansteuern. In Ausführungsformen, in welchen die Schaltung einen Eingangskonvertierer aufweist, kann die Steuerlogik ebenfalls den Eingangskonvertierer ansteuern. Insbesondere ist es in manchen bevorzugten Ausführungsformen auch bei ausgeschalteter Steuerlogik möglich, den zweiten Speicher von der Nutzeinrichtung, z. B. von dem bereits erwähnten Elektromotor, elektrisch zu trennen und so die Verluste durch Leckströme zu minimieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Speicher einen Kondensator, insbesondere einen Keramikkondensator. Da der erste Speicher an den Eingang der Vorrichtung gekoppelt ist, wird er relativ häufig geladen und entladen. Ein Kondensator, insbesondere ein Keramikkondensator weist die erforderliche Langlebigkeit und Zuverlässigkeit auch bei häufigem Laden und Entladen auf.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Kondensator des ersten Speichers eine Kapazität zwischen 5 μF und 1 mF, insbesondere zwischen 10 μF und 500 μF und bevorzugt zwischen 33 μF und 100 μF aufweist. Eine zu hohe Kapazität des ersten Speichers bewirkt, dass die Ladespannung des ersten Speichers nur langsam zunimmt. Hierdurch würde die zum Betrieb einer Nutzeinrichtung erforderliche Betriebsspannung erst spät während des Ladevorgangs erreicht, wenn der erste Speicher zuvor entladen war. Andererseits müsste bei einer zu geringen Kapazität sehr schnell elektrische Energie von dem zweiten Speicher zurück in den ersten Speicher geladen werden, um den Energiebedarf einer an den ersten Ausgang angeschlossenen Nutzeinrichtung zu decken. Aufgrund der Wandlungsverluste würde sich hierdurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung verringern. Die angegebenen Kapazitätswerte sind für viele Nutzeinrichtungen wie z. B. RF-Sender/Empfänger oder Sensoren optimal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Speicher einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator auf. Derartige Kondensatoren sind kostengünstig und besitzen die erforderliche Kapazität. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Kondensator des zweiten Speichers eine Kapazität zwischen 500 mF und 200 F, insbesondere zwischen 1 F und 100 F und bevorzugt zwischen 4 F und 40 F aufweist. Eine derartige Kapazität ist in der Regel ausreichend, um die an dem Eingang der Vorrichtung bereitgestellten Energiemengen aufzunehmen und z. B. zur Versorgung eines Elektromotors zu speichern.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der zweite Speicher einen Akkumulator. Ein Akkumulator bietet dabei den Vorteil, dass er große Mengen elektrischer Energie aufnehmen kann. Da der zweite Speicher seltener als der erste Speicher ge- und entladen wird, stellt ein möglicherweise schneller eintretender Verschleiß des Akkumulators gegenüber einem Kondensator keinen gravierenden Nachteil dar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der zweite Schwellenwert zwischen 1,2 V und 4 V, insbesondere zwischen 2,2 V und 3,5 V und bevorzugt zwischen 2,5 V und 3 V. Derartige Spannungswerte sind z. B. für den Betrieb eines RF-Senders/Empfängers vorteilhaft. So beträgt die optimale Betriebsspannung eines Mikrokontrollers und eines RF-Senders/Empfängers für die erwähnten Anwendungsgebiete zwischen 2,5 V und 3 V, die minimale Betriebsspannung eines solchen Mikrocontrollers zwischen 1,8 V und 2,2 V und der minimale Betriebsspannungsbereich eines RF-Senders/Empfängers zwischen 2,2 und 3,5 V.
In einigen Ausführungsformen liegt der erste Schwellenwert über dem zweiten Schwellenwert. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der erste Schwellenwert um zwischen 0,1 V und 1 V, insbesondere zwischen 0,2 V und 0,7 V und bevorzugt zwischen 0,25 V und 0,5 über dem zweiten Schwellenwert Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der erste Schwellenwert zwischen 2,5 V und 4 V, insbesondere zwischen 2,5 V und 3,5 V und bevorzugt zwischen 2,7 V und 3,3 V.
In einigen Ausführungsformen liegt der erste Schwellenwert mindestens 0,1 V und maximal 1 V über dem zweiten Schwellenwert. Ein zu geringer Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert würde dabei bewirken, dass der erste Speicher von der ersten Konvertiereinheit oft ge- und entladen wird. Ein zu großer Abstand würde andererseits bewirken, dass das zum Betrieb einer Nutzeinrichtung optimale Spannungsfenster am ersten Ausgang verlassen wird. Ein Abstand zwischen 0,1 V und 1 V ist hingegen optimal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Konvertiereinheit einen bidirektionalen DC/DC-Wandler, z. B. einen Buck-Boost-Konverter. Wie weiter unten noch im Detail beschrieben wird, ermöglicht ein DC/DC-Wandler einen Aufbau der Vorrichtung mit nur wenigen Bauelementen und erlaubt ferner eine Energiewandlung mit hohem Wirkungsgrad. Durch die Bidirektionalität des DC/DC-Wandlers ist nur ein Wandler erforderlich, um Energie von dem ersten Speicher in den zweiten Speicher und umgekehrt zu laden. Die erste Konvertiereinheit kann eingerichtet sein, an einem an den ersten Speicher gekoppelten Ausgang einen Strom von zwischen 0,5 mA und 5 mA, insbesondere zwischen 0,7 mA und 2 mA und bevorzugt zwischen 0,8 mA und 1,5 mA bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den ersten Speicher und den Eingang ein Eingangskonvertierer, insbesondere ein Eingangs-DC/DC-Wandler geschaltet. Der Eingangskonvertierer ermöglicht dabei ein Wandeln der von der Energiequelle gelieferten Spannung auf einen Wert, wie er für die Speicherung im ersten Speicher geeignet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Eingangskonvertierer an einem mit dem ersten Speicher verbundenen Ausgang eine Spannung zwischen 2 V und 4 V, insbesondere zwischen 2,1 V und 3,5 V und bevorzugt zwischen 2,2 V und 3,3 V bereitstellt. Die Eingangsspannung kann dabei insbesondere zwischen 0,05 V und 1,0 V, bevorzugt zwischen 0,1 V und 0,4 V, besonders bevorzugt etwa 0,3 V betragen. In dieser Ausführungsform kann der Ausgang des Eingangskonvertierers auf einem Potential mit dem ersten Ausgang der Vorrichtung liegen, z. B. um einen RF-Sender/Empfänger zu versorgen. Auf diese Weise kann der Eingangskonvertierer direkt genutzt werden, um die von der Energiequelle bereitgestellte Spannung auf das von der an dem ersten Ausgang angeschlossenen Nutzeinrichtung benötigte Spannungsniveau zu wandeln. Der Eingangskonvertierer kann insbesondere als Joule-Thief ausgebildet sein. Ein solcher Joule-Thief ist zum Beispiel in der deutschen Patentanmeldung 10 2011 111839.3 gezeigt, deren Inhalt in Bezug auf die Ausgestaltung und die Wirkung des Joule-Thiefs ausdrücklich in die vorliegende Offenbarung mit einbezogen wird.
In anderen Ausführungsformen ist der Eingang der Schaltung über eine Diode mit dem ersten Speicher verbunden. Dies ist vorteilhaft, wenn die von der Energiequelle gelieferte Spannung innerhalb des Toleranzintervalls des ersten Speichers liegt. Auf diese Weise können Bauelemente eingespart und somit der Raumbedarf reduziert werden. Die Diode verhindert dabei den Rückfluss der Energie zur Energiequelle. Für Spannungsquellen, die eine Wechselspannung bereitstellen, kann auch ein Brückengleichrichter oder eine Spannungsvervielfacherschaltung, zum Beispiel eine Delon-Schaltung, verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen ist der zweite Speicher ferner mit einem weiteren Eingang, beispielsweise einem Stecker oder einer Buchse, insbesondere einer USB-Buchse gekoppelt. Dies ermöglicht es, den zweiten Speicher beispielsweise vor einem ersten Gebrauch oder nach vollständiger Entleerung aufzuladen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung Energie an ihren Ausgängen bereitstellen, bevor sie von der Energiequelle über den Eingang geladen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet, Energie von dem ersten Speicher mit einer variablen Ladestärke in den zweiten Speicher zu laden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers den ersten Schwellenwert überschreitet. Die variable Ladestärke kann dabei beispielsweise einem zeitlich gemittelten Ladestrom von dem ersten Speicher zu dem zweiten Speicher entsprechen. In einigen Ausführungsformen entspricht die Ladestärke einem Taktverhältnis eines Pulsweitenmodulations-(PWM)-Signals, mit dem die erste Konvertiereinheit Energie von dem ersten Speicher in den zweiten Speicher lädt. Diese Ausführungsformen ermöglichen ein flexibles Laden des zweiten Speichers.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet, die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang der Vorrichtung zu variieren. Auf diese Weise kann das Laden des zweiten Speichers in Abhängigkeit der an dem Eingang zur Verfügung stehenden Spannung erfolgen. Wenn eine an den Eingang der Vorrichtung gekoppelte Energy-Harvesting-Einrichtung eine hohe Ausgangsspannung liefert, kann beispielsweise verstärkt Energie in den zweiten Speicher geladen werden. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Ladestärke zumindest in einem Spannungsbereich der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung bei zunehmender Spannung zunimmt. Beispielsweise kann die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet sein, die Ladestärke als monoton, insbesondere streng monoton zunehmende Funktion der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung zu variieren, d. h. beispielsweise die Ladestärke bis höchstens auf einen Maximalwert zu erhöhen, wem die Spannung an dem Eingang zunimmt. Auf ähnliche Weise kann die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet sein, die Ladestärke bei einer Abnahme der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung bis mindestens auf einen Minimalwert zu verringern. Der Minimalwert kann größer als null bzw. größer als ein Wert, der einem Ladestrom von null entspricht, sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet, die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Inkrement zu erhöhen, wenn die Spannung an dem Eingang der Vorrichtung über einer Eingangsschwellspannung liegt. In dieser Ausführungsform nimmt die Ladestärke über mehrere Zyklen zu, wenn die Spannung an dem Eingang der Vorrichtung über der Eingangsschwellspannung liegt. Auf diese Weise kann bei einer hohen Eingangsspannung Energie schneller in den zweiten Speicher geladen werden. Die Erhöhung kann beispielsweise bis höchstens zu einem vorgegebenen Maximalwert der Ladestärke erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet, das Inkrement in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung einzustellen. In dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Ladestärke, wenn die Spannung an dem Eingang der Vorrichtung über der Eingangsschwellspannung liegt, nicht in jedem Zyklus um ein gleich großes Inkrement erhöht wird, wie dies in alternativen Ausführungsformen der Fall ist. Vielmehr kann das Inkrement, beispielsweise in jedem Zyklus, in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung eingestellt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Inkrement mit zunehmender Spannung an dem Eingang der Vorrichtung erhöht wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Inkrement verringert wird, wenn die Spannung an dem Eingang der Vorrichtung abnimmt. Dies kann beispielsweise bei einem an einen Heizungskreislauf angeschlossenen Ventilsteller mit thermoelektrischer Energie-Harvester-Einrichtung insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn dieser Einrichtung beim Öffnen des Ventils eine große Wärmemenge zur Verfügung steht und ein großer Temperaturgradient am Thermoelement auftritt, so dass eine hohe Spannung zum Laden des zweiten Speichers zur Verfügung steht. Durch ein schnelles Erhöhen der Ladestärke kann die Energie-Harvester-Einrichtung auf diese Weise eine optimale Energieausbeute erzielen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet, Energie von dem ersten Speicher mit einer variablen Ladestärke in den zweiten Speicher zu laden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers unter dem ersten Schwellenwert liegt. Auf diese Weise kann das Laden des zweiten Speichers auch dann fortgesetzt werden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers unter den ersten Schwellenwert gefallen ist.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet ist, die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang der Vorrichtung zu variieren, wenn der Speicherstand des ersten Speichers unter dem ersten Schwellenwert liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet, die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Dekrement zu verringern, wenn der Speicherstand des ersten Speichers unter dem ersten Schwellenwert liegt, beispielsweise bis mindestens auf einen vorgegebenen Minimalwert der Ladestärke. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet ist, das Dekrement in jedem Zyklus in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung einzustellen. Beispielsweise kann die erste Konvertiereinheit dazu eingerichtet sein, das Dekrement als monoton, insbesondere streng monoton abnehmende Funktion in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung über zumindest einen Teilbereich der Spannung einzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Schlafmodus auf und die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, den Schlafmodus zu verlassen, wenn die Spannung am ersten Ausgang unter einen dritten Schwellenwert abfällt.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein System bereit, welches eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art sowie zumindest eine Nutzeinrichtung, welche an den ersten oder zweiten Ausgang der Vorrichtung gekoppelt ist, umfasst. Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine erste Nutzeinrichtung an den ersten Ausgang und mindestens eine zweite Nutzeinrichtung an den zweiten Ausgang gekoppelt ist.
Bevorzugt ist dabei, dass die zumindest eine Nutzeinrichtung einen Elektromotor umfasst, welcher an den zweiten Ausgang der Vorrichtung gekoppelt ist, und/oder dass die zumindest eine Nutzeinrichtung einen RF-Sender und/oder -Empfänger umfasst, welcher an den ersten Ausgang der Vorrichtung gekoppelt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Nutzeinrichtung einen an den ersten oder zweiten Ausgang der Vorrichtung gekoppelten Sensor, insbesondere einen Temperatur-, Helligkeits- und/oder Drucksensor. Dies ermöglicht das Auslesen von Kenngrößen wie beispielsweise einer Temperatur oder einer Helligkeit. Dies ist z. B. vorteilhaft bei Ausführungsformen, in welchen das System einen RF-Sender aufweist, um die ausgelesene Kenngröße zu übertragen. Hierdurch kann beispielsweise ein Durchfluss durch ein Heizungsventil gemessen und übertragen werden. Dies ermöglicht es, den Verbrauch aus der Ferne auszulesen. Alternativ oder zusätzlich kann das System eine Anzeige aufweisen, welche an die Vorrichtung gekoppelt ist, wobei die Anzeige eine mit dem Sensor erfasste Kenngröße anzeigt. Hierzu kann ferner ein Betätigungsmittel, z. B. ein Taster vorgesehen sein, wobei die Anzeige die Kenngröße nur bei Betätigen des Betätigungsmittels anzeigt. Der Sensor kann in einigen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ als Glasbruchsensor, Konzentrationssensor, mechanischer und/oder chemischer Sensor ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen weist das System ferner einen Datenspeicher auf, welcher an den Sensor gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine von dem Sensor erfasste Kenngröße zu speichern. Das System kann ferner eingerichtet sein, eine oder mehrere in dem Datenspeicher gespeicherte Kenngrößen nach einem Empfangen eines Auslesesignals durch den RF-Sender/Empfänger des Systems mittels des RF-Sender/Empfängers zu übertragen. Dies ermöglicht das Auslesen vergangener Messwerte aus der Ferne. Beispielsweise kann ein kumulierter oder aktueller Heizungsverbrauch von einem Anwender in beliebigen zeitlichen Abständen ausgelesen werden.
In einigen Ausführungsformen weist das System einen akustischen und/oder visuellen Alarm auf, wobei der Alarm aktiviert wird, wenn eine von dem Sensor erfasste Kenngröße eine vorbestimmte Schwelle über- oder unterschreitet. In einigen Ausführungsformen wird der Alarm aktiviert, wenn die erfasste Kenngröße innerhalb oder außerhalb eines vordefinierten Wertebereichs liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das System ferner eine Energiequelle, insbesondere eine Energy-Harvesting-Einrichtung, bevorzugt ein thermoelektrisches und/oder ein photoelektrisches Element, welche mit dem Eingang der Vorrichtung verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Energiequelle einen elektromechanischen oder einen piezoelektrischen Generator umfassen. Desweiteren kann die Energiequelle für die Energy-Harvesting-Einrichtung zusätzlich oder alternativ zum Beispiel Formgedächtnis-Materialien, insbesondere magnetische Formgedächtnis-Materialien, pyroelektrische Kristalle, einen elektromagnetischen Generator oder einen auf Osmose beruhenden Generator umfassen.
Das System kann beispielsweise als Funkthermostat ausgebildet sein. Dabei kann ein Elektromotor an den zweiten Ausgang der Vorrichtung gekoppelt sein, wobei der Elektromotor zum Antreiben eines Heizungsventils eingerichtet ist. Ferner kann an den ersten Ausgang ein RF-Empfänger angeschlossen sein, welcher dazu eingerichtet ist, eine gewünschte Ventileinstellung zu empfangen. Das System ist dabei eingerichtet, den Elektromotor gemäß der empfangenen Ventileinstellung anzusteuern. Hierzu kann eine Steuerlogik der Vorrichtung des Systems mit dem RF-Empfänger und der zweiten Konvertiereinheit verbunden sein und eingerichtet sein, die zweite Konvertiereinheit in Abhängigkeit eines durch den RF-Empfänger empfangenen Signals anzusteuern. Ein Ventilsteller, der dazu geeignet ist mit dem Spannungswandler der Erfindung betrieben zu werden, ist beispielsweise in der US 2012/0248204 A1 offenbart, deren Inhalt bezüglich des Aufbaus und der Wirkung des Ventilstellers in die vorliegende Offenbarung mit einbezogen ist.
Das System kann ferner ein thermoelektrisches Element als Energiequelle aufweisen, welches an den Eingang der Vorrichtung angeschlossen ist. Dabei kann das System ferner einen Temperatursensor zum Erfassen einer Umgebungstemperatur aufweisen, wobei das System dafür eingerichtet ist, den Elektromotor gemäß der empfangenen Ventileinstellung und der erfassten Umgebungstemperatur anzusteuern. Hierzu kann die Steuerlogik der Vorrichtung mit dem Temperatursensor gekoppelt sein und eingerichtet sein, die zweite Konvertiereinheit in Abhängigkeit der von dem Sensor erfassten Temperatur anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen Ventilsteller mit einem System der beschriebenen Art bereit.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, die einen Eingang zum Verbinden mit einer Energiequelle, einen ersten Speicher und einen zweiten Speicher aufweist, insbesondere zum Betreiben einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art, bereit. Bei dem Verfahren wird Energie mit einer variablen Ladestärke von dem ersten Speicher in den zweiten Speicher geladen, wenn ein Speicherstand des ersten Speichers einen ersten Schwellenwert überschreitet, wobei die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang der Vorrichtung variiert wird. Wie bereits erläutert, kann der Speicherstand beispielsweise einer Spannung entsprechen, die über dem ersten Speicher abfällt. Die Ladestärke kann z. B. einem Taktverhältnis eines PWM-Signals entsprechen, mit dem ein Stromfluss von dem ersten Speicher zu dem zweiten Speicher gesteuert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Inkrement erhöht, wenn die Spannung an dem Eingang der Vorrichtung über einer Eingangsschwellspannung liegt. Die Ladestärke kann beispielsweise bis höchstens auf einen vorgegeben Maximalwert erhöht werden.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass das Inkrement in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung eingestellt wird. Beispielsweise kann das Inkrement als monoton, insbesondere streng monoton zunehmende Funktion der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ladestärke verringert, wenn der Speicherstand des ersten Speichers den ersten Schwellenwert unterschreitet. Die Ladestärke kann beispielsweise bis auf mindestens einen vorgegeben Minimalwert verringert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang der Vorrichtung verringert, wenn der Speicherstand des ersten Speichers den ersten Schwellenwert unterschreitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Dekrement verringert, wenn der Speicherstand des ersten Speichers den ersten Schwellenwert unterschreitet. Das Dekrement kann in einigen Ausführungsformen konstant sein. Alternativ kann das Dekrement in jeden Zyklus in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang der Vorrichtung eingestellt werden. Das Dekrement kann beispielsweise als monoton, insbesondere streng monoton abnehmende Funktion der Spannung an dem Eingang eingestellt werden.
In einigen Ausführungsformen wird das Laden des zweiten Speichers mit Energie aus dem ersten Speicher beendet, wem der Speicherstand des ersten Speichers den ersten Schwellenwert unterschreitet und die Ladestärke den vorgegebenen Minimalwert erreicht oder unterschreitet.
In einigen Ausführungsformen wird das Ladeverfahren von einer Steuereinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller, zyklisch gesteuert und/oder beziehungsweise geregelt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Speicherstände des ersten und/oder des zweiten Speichers sowie die von einer Energie-Harvester-Einrichtung bereitgestellte Spannung nur zyklisch abgefragt werden. Dementsprechend wird in diesen Ausführungen die Ladestärke nur zyklisch angepasst. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit nach dem Prüfen der Speicherstände und Spannungspegel und den gegebenenfalls notwendigen Anpassungen der Ladestärke in einen Schlafmodus übergeht. Die Steuereinheit kann dann in regelmäßigen zeitlichen Abständen aufwachen, um die Spannungspegel und Ladestände zu überprüfen, und gegebenenfalls Anpassungen der Ladestärken vornehmen. In manchen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung kann die Steuereinheit, beziehungsweise die Vorrichtung, mindestens dann aus dem Schlafmodus geweckt werden, wenn am zweiten Ausgang der Vorrichtung ein dritter Schwellenwert wie z. B. eine dritte Schwellenspannung unterschritten wird.
In weiteren Ausführungen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung einen Unterspannungs-Interrupt ausgibt, sobald die Spannung am Eingang der Vorrichtung einen dritten Schwellenwert unterschreitet. Der dritte Schwellenwert kann dabei gleich oder kleiner als der erste Schwellenwert sein. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass, falls die Steuereinrichtung im Schlafmodus ist, die Steuereinrichtung aus dem Schlafmodus aufgeweckt wird.
Insgesamt wird somit ein Ladeverfahren bereitgestellt, mit dem der zweite Speicher effizient aus dem an die Energie-Harvester-Einrichtung gekoppelten ersten Speicher geladen werden kann, so dass aus dem zweiten Speicher Energie z. B. über einen Verstärker, beziehungsweise über eine Endstufe oder Motortreiberschaltung, zum Antrieb eines Elektromotors bereitgestellt werden kann. Dabei kann an dem ersten Speicher genügend Energie zur Versorgung eines Mikrocontrollers bereitgestellt werden.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein maschinenlesbares Medium mit darauf gespeicherten Instruktionen bereit, die, wenn sie von einer Maschine ausgeführt werden, die Maschine dazu veranlassen, ein Verfahren der oben bezeichneten Art durchzuführen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Darin zeigt
1 eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche mit einer Energy-Harvesting-Einrichtung, einem Motor und einem RF-Sender/Empfänger gekoppelt ist,
2 eine Schaltskizze einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche mit einer Energy-Harvesting-Einrichtung, einem Motor und einem RF-Sender/Empfänger gekoppelt ist,
3 eine auf das Wesentliche reduzierte Darstellung einer Schaltung mit einem bidirektionalen Sperrwandler zum erfindungsgemäßen Umschalten zwischen zwei Energiequellen,
4 eine Schaltskizze einer ersten Konvertiereinheit, die als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet ist,
5 eine Schaltskizze eines unidirektionalen DC/DC-Wandlers einer zweiten Konvertiereinheit,
6 eine Schaltskizze eines Eingangskonvertierers, der als Joule-Thief ausgebildet ist,
7 einen Ausschnitt einer Schaltskizze einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
8 einen Ausschnitt eines Flussdiagramms eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform und
9 einen Ausschnitt eines Flussdiagramms eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
1 zeigt eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Speicher 2 sowie einen zweiten Speicher 3. Als erster Speicher 2 ist dabei im Beispiel der 1 ein 47 μF Keramikkondensator vorgesehen. Der erste Speicher 2 wirkt innerhalb der Vorrichtung als Kurzzeitspeicher. Der zweite Speicher 3 ist, zum Beispiel, als Poly-Acenic-Semiconductor-(PAS)-Kondensator ausgebildet und dient als Langzeitspeicher mit einer Kapazität von beispielsweise 40 F.
Die Vorrichtung weist ferner eine erste Konvertiereinheit 4 auf, welche in dieser Ausführungsform als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Die erste Konvertiereinheit 4 ist zwischen den ersten Speicher 2 und den zweiten Speicher 3 gekoppelt, so dass die erste Konvertiereinheit 4 mit dem ersten Speicher 2 einen gemeinsamen Knoten 21 aufweist und die erste Konvertiereinheit 4 mit dem zweiten Speicher 3 einen gemeinsamen Knoten 22 aufweist. Die Vorrichtung weist ferner einen Eingangskonvertierer 6 auf, welcher als unidirektionaler Eingangs-DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Ein Ausgang des Eingangskonvertierers 6 ist dabei mit dem Knoten 21 und somit mit dem ersten Speicher 2 und der ersten Konvertiereinheit 4 verbunden. Der Eingang 23 des Eingangskonvertierers 6 dient dabei als Eingang der Vorrichtung, an welchen in 1 eine Energiequelle 12 angeschlossen ist. Der Eingangskonvertierer 6 empfängt die an dem Eingang 23 bereitgestellte Leistung und wandelt die am Eingang 23 anliegende Spannung auf eine Höhe, wie sie von dem ersten Speicher 2 und der ersten Konvertiereinheit 4 benötigt wird, z. B. 3 V. Bei der Energiequelle 12 kann es sich insbesondere um einen Thermoharvester, beispielsweise des Typs Mikropelt MPG 651 handeln.
Der unmittelbar an dem ersten Speicher 2 angeordnete Knoten 21 dient als erster Ausgang der Vorrichtung. Auf diese Weise kann die in dem ersten Speicher 2 gespeicherte Energie direkt, d. h. ohne zwischengeschalteten Wandler einer Nutzeinrichtung zugeführt werden.
Die Vorrichtung weist ferner einen zweiten Ausgang 24 auf, welche über eine zweite Konvertiereinheit 5 und einen Verstärker 11 mit dem Knoten 22 und somit mit dem zweiten Speicher 3 gekoppelt ist. Die zweite Konvertiereinheit 5 umfasst einen unidirektionaler DC/DC-Wandler und einen Verstärker 11. Die zweite Konvertiereinheit 5 wandelt die am zweiten Speicher 3 anliegende Spannung auf ein von einer angeschlossenen Nutzeinrichtung benötigtes Niveau. Der Verstärker 11 ist zum Beispiel für die Steuerung eines Elektromotors 7 als Nutzeinrichtung eingerichtet, um die Polarität der Motorspannung zu steuern und damit die Drehrichtung zu ändern. Dies kann z. B. für einen Gleichstrommotor mittels einer H-Brücke oder eines Schrittmotortreiber oder einer B6C-Stufe im Falle eines 3-Phasen BLDC-Motors erreicht werden. Die zweite Konvertiereinheit ist auf die Anforderungen der an den zweiten Ausgang 24 angeschlossenen Nutzeinrichtung ausgelegt, z. B. hinsichtlich der Signalform oder Amplitude des an dem zweiten Ausgang 24 ausgegebenen Signals. Beispielsweise kann eine Ausgangsspannung an dem zweiten Ausgang 24 unabhängig von einer Ausgangsspannung an dem ersten Ausgang 21 eingestellt werden.
An den ersten Ausgang 21 ist in 1 ein RF-Sender/Empfänger 8 als Nutzeinrichtung angeschlossen ist. Der RF-Sender/Empfänger 8 wird dabei nicht kontinuierlich betrieben. Vielmehr ist zwischen dem ersten Ausgang 21. der Vorrichtung und dem RF-Sender/Empfänger 8 ein Schalter 10 vorgesehen, welcher von einer Steuerlogik 9 geschaltet wird. Die Steuerlogik 9 ist darüber hinaus mit dem ersten Ausgang 21 der Vorrichtung verbunden, um die Steuerlogik 9 mit elektrischer Leistung zu versorgen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform steuert die Steuerlogik 9 darüber hinaus auch die erste Konvertiereinheit 4 sowie die zweite Konvertiereinheit 5 und den Verstärker 11. Um einen effizienten Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten, ist die Steuerlogik 9 darüber hinaus mit dem Eingang 23 der Vorrichtung gekoppelt, um ein dort anliegendes Eingangssignal zu detektieren. Ferner ist die Steuerlogik 9 über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem RF-Sender/Empfänger 8 verbunden, welche in der gezeigten Ausführungsform als Serial Peripheral Interface (SPI) ausgebildet ist. Die Steuerlogik 9 dient dazu, den Betrieb der Konvertiereinheiten und des RF-Sender/Empfängers zu steuern. Durch das Koppeln des RF-Sender/Empfängers 8, der zweiten Konvertiereinheit 5 und des Verstärkers 11 an die gemeinsame Steuerlogik 9 kann das System RF-Signale zur Fernsteuerung empfangen und basierend auf den empfangenen Signalen den Motor 7 steuern. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Motor 7 ein Heizungsventil antreibt. Auf diese Weise kann das Heizungsventil aus der Ferne gesteuert werden.
Die in 1 gezeigte Funktionseinheit zum Wiedereinschalten (Power On Reset) verhindert, dass die Vorrichtung oder einzelne Bauteile davon starten, insbesondere dass der Mikrocontroller startet, wenn die Versorgungsspannung noch nicht ausreichend ist. Solche Bauteile können beim Starten sehr hohe Ströme ziehen und wären dabei nicht in einem definierten Zustand.
2 zeigt eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ebenfalls zwei Speicher 2, 3 zum Speichern elektrischer Energie umfasst. Im Vergleich zur 1 kommt die gezeigte Schaltung, neben dem Eingangskonvertierer 6, mit nur einer ersten Konvertiereinheiten 4 aus, wobei der Eingangskonvertierer 6 vorzugsweise als unidirektionaler DC/DC-Wandler und die erste Konvertiereinheit 4 vorzugsweise als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Die prinzipielle Wirkungsweise bleibt dabei im Wesentlichen unverändert:

Wiederum dient der Eingang 23 des Eingangskonvertierers 6 zum Anschluß der Energiequelle 12. Der Eingangskonvertierer 6 empfängt die an dem Eingang 23 bereitgestellte Leistung und wandelt die am Eingang 23 anliegende Spannung auf eine Höhe, wie sie von dem ersten Speicher 2 und der ersten Konvertiereinheit 4 benötigt wird, z. B. 3 V. Der unmittelbar an dem ersten Speicher 2 angeordnete Knoten 21 dient als erster Ausgang der Vorrichtung. Auf diese Weise kann die in dem ersten Speicher 2 gespeicherte Energie direkt, d. h. ohne zwischengeschalteten Wandler, zur Stromversorgung der Vorrichtung genutzt werden.
Der zweiten Speicher 3 ist über die erste Konvertiereinheit 4 mit dem Knoten 21 gekoppelt. Die erste Konvertiereinheit 4 wandelt die am zweiten Speicher 3 anliegende Spannung auf eine von einer angeschlossenen Nutzeinrichtung benötigte Höhe um und ist dabei an die Anforderungen der an dem zweiten Ausgang 24 angeschlossenen Nutzeinrichtung ausgelegt, z. B. hinsichtlich der Signalform oder Amplitude des an dem zweiten Ausgang 24 ausgegebenen Signals. Der zweite Ausgang 24 ist in dieser Ausführungsform über den Verstärker 11 mit dem ersten Ausgang 21 verbunden. Im in 2 gezeigten Beispiel ist die Nutzvorrichtung, wie zuvor, durch einen am Ausgang 24 angeordneten Elektromotor M gegeben, der über einen Verstärker 11 mit dem Knoten 21 sowie einer Funktionseinheit zum Wiedereinschalten (Power On Reset) verbunden ist.
An dem ersten Ausgang 21 ist in 2 wiederum über einen Schalter 10 ein RF-Sender/Empfänger 8 angeschlossen, welcher von der Steuerlogik 9 geschaltet wird. In der in 2 gezeigten Ausführungsform steuert die Steuerlogik 9 darüber hinaus auch die erste Konvertiereinheit 4 und den Verstärker 11. Um einen effizienten Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten, ist die Steuerlogik 9 darüber hinaus mit dem Eingang 23 der Vorrichtung gekoppelt, um ein dort anliegendes Eingangssignal zu detektieren. Ferner ist die Steuerlogik 9 über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem RF-Sender/Empfänger 8 verbunden, welche in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls als SPI ausgebildet ist.
Es kann also, analog zur in 1 gezeigten Schaltung, eine Nutzeinrichtung sowohl über den ersten Speicher 2 als auch über den zweiten Speicher 3 elektrisch versorgt werden. Durch die relativ kleine Kapazität des ersten Speichers 2 ist dieser recht schnell über den Eingangskonvertierer 6 geladen, so dass der RF-Sender und Empfänger 8 betrieben werden kann und die Schaltung Daten von Extern empfangen, beziehungsweise bereitstellen kann. Der Speicher 2 ist auch dazu ausgelegt, die Steuerlogik 9 zu versorgen, so dass die Schaltung betriebsbereit ist. Sobald der Speicher eine vorgegebene Energiemenge gespeichert hat und einen ersten Schwellenwert überschritten hat, wird über den Knoten 21 und über die erste Konvertiereinheit 6 der zweite Speicher 3 aufgeladen, so dass er über die Konvertiereinheit 4, den Knoten 21 und den Ausgang 24 die Nutzeinrichtung, zum Beispiel einen Elektromotor 7, mit Energie versorgen kann. Fällt der Speicherstand des ersten Speichers 2 im Betrieb unter den zweiten Schwellenwert, wird dieser von dem zweiten Speicher 3 über die erste Konvertiereinheit 4 geladen und auf einem konstanten Spannungsniveau gehalten.
Zur Verdeutlichung ist das in den 1 und 2 gezeigte Prinzip zum Umschalten zwischen zwei Energiequellen nochmals anhand des in 3 gezeigten, bidirektionalen Sperrwandlers illustriert. Der erste Speicher 2 und der zweite Speicher 3 können unabhängig voneinander durch die Steuereinheit 9 (z. B. ein Mikrocontroller) über die steuerbaren Schalter 65, 66 in den jeweils anderen Speicher umgeladen werden. Dabei wird durch das Schließen eines der beiden Schalter 65, 66 ein Strompfad parallel zu der entsprechenden Diode 67, 68 geschlossen und der Transformator 62 geladen. Da die beiden Speicher 2, 3 über einen Transformator 62 induktiv gekoppelt sind, kann somit durch Öffnen dieses Schalters 65, 66 Energie von einem Speicher in den anderen übertragen werden. Während dieser eine Schalter 65, 66 abwechselnd geschlossen und geöffnet wird, bleibt der andere Schalter 65, 66 geöffnet. Das Prinzip funktioniert dabei für unterschiedliche Spannungsbereiche und Spannungskonfigurationen. So kann der Unterschied der Spannungspotentiale beider Speicher 2, 3 bis zu einem Faktor 1000 und mehr betragen, wobei entweder der zweite Speicher 3 (VSTORAGE) oder der erste Speicher 2 (VCC) auf einem höheren Spannungspotential liegen kann. Es ist dabei auch eine vollständige galvanische Trennung der beiden Speicher 2, 3 möglich. Insbesondere ist es auch möglich, einen der Speicher 2, 3 vollständig zu entladen und die Schaltung trotzdem nahe ihren optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Überflüssige – von einem Verbraucher nicht benötigte – Energie kann dadurch jederzeit aus jedem der Speicher 2, 3 in den anderen umgeladen werden.
4 zeigt den internen Aufbau der ersten Konvertiereinheit 4 gemäß einer Ausführungsform im Detail. Die erste Konvertiereinheit 4 ist dabei durch einen Buck-Boost-Wandler gebildet, welcher einen ersten Schalter 41 und einen zweiten Schalter 42 aufweist, welche mit ihren Drain/Source-Strecken in Serie zwischen den ersten Ausgang 21 und Masse GND geschaltet sind. Die Gates der Transistoren 41, 42 sind jeweils über Widerstände 43, 44 mit Knoten 45, 46 verbunden, welche an die Steuerlogik 9 gekoppelt sind. Auf diese Weise kann die Steuerlogik 9 den Betrieb des Wandlers steuern. Ferner weist die erste Konvertiereinheit 4 eine Induktivität 49 mit einem Induktivitätswert von beispielsweise 330 μH auf, welche mit einem Ende an den Knoten 50 gekoppelt ist und mit einem anderen Ende an den Knoten 22. Die Größe der Induktivität 49 hängt dabei auch vom Laststrom ab und beträgt typischerweise circa 100 μH bei 100 mA. Sie kann bei hohen Strömen von bis zu 1 mA bis zu 10 mH betragen. Die erste Konvertiereinheit 4 weist darüber hinaus optional zwei Schutzdioden 47, 48 auf, welche jeweils parallel zu den Source/Drain-Strecken der Transistoren 41, 42 geschaltet sind, um die Verluste des Wandlers zu reduzieren. Zusätzlich befindet sich zwischen dem Gate-Anschluss des Transistors 42 und dem Masseanschluss GND ein Schutzwiderstand 53 von beispielsweise 100 kΩ bis 1 MΩ.
Die in 4 gezeigte erste Konvertiereinheit 4 arbeitet bidirektional, d. h. sie vermag sowohl Energie von dem ersten Speicher 2, welcher an den ersten Ausgang 21 gekoppelt ist, an den zweiten Speicher 3 zu übertragen als auch in die umgekehrte Richtung.
5 zeigt den Aufbau des DC/DC-Wandlers der zweiten Konvertiereinheit 5 gemäß einer Ausführungsform im Detail. Der DC/DC-Wandler ist dabei als Aufwärtswandler ausgebildet, welcher eine Induktivität 59, einen Schalter 52 sowie eine Diode 51 aufweist. Zur Versorgung eines Motors 7 mit elektrischer Energie beträgt die Induktivität 59 dabei beispielsweise 33 μH. Eine kleine Kapazität 58 von zum Beispiel 10 μF, welche zwischen den Ausgang des Wandlers und Masse GND geschaltet ist, dient dabei als Zwischenspeicher. Der Schalter 52 ist im Beispiel als MOSFET-Schalter mit integrierter Body-Diode ausgeführt und wird über seinen Gate-Anschluss gesteuert.
6 zeigt den Aufbau des Eingangskonvertierers 6 gemäß einer Ausführungsform im Detail. Dieser ist vorliegend als Joule-Thief ausgebildet. Der Eingangskonvertierer 6, weist dabei einen Transformator 61, eine Diode 63 sowie einen Schalter 64 auf. Der Schalter 64 ist vorzugsweise als Bipolartransistor ausgestaltet und direkt oder über einen Vorwiderstand 70 mit einem Pol der Primärwicklung des Transformators 61 verbunden, wobei der andere Pol der Primärwicklung mit der Energiequelle 12 verbunden ist. Zwischen der Energiequelle 12 und dem Transformator 61 kann optional auch ein Überspannungsschutz, zum Beispiel in Form einer Zenerdiode, geschaltet sein. Ein Pol der Sekundärwicklung ist mit dem Kollektor des Bipolartransistors 64 verbunden, während der andere Pol über die Diode 63 und den ersten Ausgang 21 mit dem ersten Speicher 2 verbunden ist.
7 zeigt einen Ausschnitt einer Schaltskizze einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Speicher 102 und einen zweiten Speicher 103, die in der gezeigten Ausführungsform jeweils als Kondensatoren ausgebildet sind. Die Vorrichtung umfasst ferner eine erste Konvertiereinheit 104, von der lediglich ein Ausschnitt gezeigt ist. Die erste Konvertiereinheit 104 umfasst einen Schalter 141, der in der gezeigten Ausführungsform im Gegensatz zu der Ausführungsform der 4 als selbstsperrender PMOS-Transistor ausgebildet ist, und eine Induktivität 149. Das Gate des Transistors 141 ist über einen Widerstand 143 mit einem Knoten 145 verbunden, der beispielsweise an eine Steuerlogik (nicht gezeigt) gekoppelt sein kann, ähnlich wie oben mit Bezug auf 4 beschrieben worden ist. Ferner sind in 7 Knoten 121 und 122 eingezeichnet, die den Knoten 21 bzw. 22 in der 1 entsprechen. Die Spannung +VCC an dem Knoten 121 entspricht dem Speicherstand des ersten Speichers 102. Die Spannung +VSTORAGE an dem Knoten 122 entspricht dem Speicherstand des zweiten Speichers 103.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren kann beispielsweise in einer Steuerlogik, wie beispielsweise der in den 1, 2 und 3 gezeigten Steuerlogik 9, implementiert sein. Das Verfahren startet bei Schritt 200 mit dem Start der Ladekontrolle und geht zu Schritt 202 über, in dem bestimmt wird, ob die Spannung VCC kleiner als ein Schwellenwert WINDOW_LOWER LIMIT ist. Die Spannung VCC entspricht dabei beispielsweise der Spannung an den Knoten 21, 121 über den Speichern 2, 102 in den Ausführungsformen der 1, 4 bzw. 7. Wenn die Spannung VCC kleiner als WINDOW_LOWER_LIMIT ist, schreitet das Verfahren mit Block 204 fort, andernfalls mit Schritt 220.
In Schritt 204 wird ermittelt, ob eine aktuelle Ladestärke load_strength, mit der Energie von dem ersten Speicher in den zweiten Speicher geladen wird, größer als ein Minimalwert MIN_LOAD_STRENGTH ist. Falls dies der Fall ist, schreitet das Verfahren mit Schritt 206 fort, andernfalls mit Schritt 210.
In Schritt 206 wird die an dem Ausgang der Energie-Harvester-Einrichtung bereitgestellte Spannung, d. h. die Spannung an dem Knoten 23 in den 1 und 2, überprüft. Die Ladestärke wird in Abhängigkeit dieser Spannung schneller oder langsamer reduziert, wobei ein schnelles Reduzieren insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn am Knoten 23 nur eine relativ geringe Spannung anliegt. In dem anschließenden Schritt 208 wird die Ladestärke entsprechend reduziert und der Ladevorgang gestartet bzw. fortgesetzt. Die Ladestärke kann dabei beispielsweise durch das Verkleinern des Tastverhältnisses einer PWM verringert werden. Das Verfahren fährt mit Schritt 230 fort, in dem die Steuerung für eine Zeit SYSTIME in einen Schlafzustand übergeht. Die Zeit SYSTIME kann beispielsweise zwischen einer Sekunde und 120 Sekunden, insbesondere zwischen 2 Sekunden und 60 Sekunden und bevorzugt zwischen 5 Sekunden und 10 Sekunden, beispielsweise ungefähr 6 Sekunden betragen. Je größer SYSTIME ist, desto länger währt der Schlafzustand und desto weniger Energie wird für die Steuerung benötigt. Anderseits nimmt die Gefahr zu, dass die Spannung VCC so stark abnimmt, dass die Steuerlogik 9 nicht mehr hinreichend versorgt ist.
Wenn in Schritt 204 ermittelt worden ist, dass die aktuelle Ladestärke nicht größer als der Minimalwert MIN_LOAD_STRENGTH ist, fährt das Verfahren mit Schritt 210 fort, in dem der Ladevorgang gestoppt wird. Nach dem Stoppen des Ladevorgangs in Schritt 210 fährt das Verfahren mit Schritt 230 fort, in dem die Steuerung für die Zeit SYSTIME in einen Schlafzustand übergeht.
Wenn in Schritt 202 ermittelt worden ist, dass die Spannung VCC nicht kleiner als der Schwellenwert WINDOW_LOWER_LIMIT ist, fährt das Verfahren mit Schritt 220 fort, in dem ermittelt wird, ob die Spannung VCC größer als ein Schwellenwert WINDOW_UPPER_LIMIT ist. Falls dies nicht der Fall ist, fährt das Verfahren mit Schritt 230 fort, in dem die Steuerung für die Zeitdauer SYSTIME in einen Schlafzustand übergeht. Andernfalls fährt das Verfahren mit Schritt 222 fort.
In Schritt 222 wird geprüft, ob die aktuelle Ladestärke load_strength größer als ein Maximalwert MAX_LOAD_STRENGTH ist. Falls dies nicht der Fall ist, fährt das Verfahren mit Schritt 230 fort. Andernfalls fährt das Verfahren mit Schritt 224 fort.
In Schritt 224 wird die an dem Eingang 23 der Vorrichtung anliegende Spannung geprüft. Die Ladestärke load_strength wird in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang 23 der Vorrichtung schneller oder langsamer erhöht, wobei die Ladestärke bei einer relativ hohen Spannung am Eingang 23 schneller erhöht werden kann. Anschließend fährt das Verfahren mit Schritt 226 fort, in dem die Ladestärke load_strength entsprechend erhöht wird und der Ladevorgang gestartet bzw. fortgesetzt wird. Beispielsweise wird die Ladestärke durch das Vergrößern des Tastverhältnisses einer PWM erhöht. Anschließend fahrt das Verfahren mit Schritt 230 fort.
Der Schwellenwert WINDOW_UPPER_LIMIT entspricht einem ersten Schwellenwert und kann beispielsweise etwa 3,1 Volt betragen. Der Schwellenwert WINDOW_LOWER_LIMIT entspricht einem zweiten, niedrigeren Schwellenwert und kann beispielsweise 2,9 Volt betragen. Wie oben bereits beschrieben worden ist, kann der zweite Schwellenwert WINDOW_LOWER_LIMIT beispielsweise derart vorgegeben sein, dass eine Steuerlogik 9 zum Betreiben der ersten Konvertiereinheit hinreichend versorgt werden kann.
9 zeigt einen Ausschnitt eines Flussdiagramms eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Die in 9 dargestellten Schritte können beispielsweise dann ausgeführt werden, wenn die Spannung VCC, d. h. der Speicherstand des ersten Speichers, einen kritischen Wert unterschreitet, d. h. beispielsweise unterhalb eines dritten Schwellenwerts liegt. Der dritte Schwellenwert kann dabei gleich dem oder kleiner als der erste Schwellenwert sein. In diesem Fall wird in Schritt 240 ein Unterspannungs-Interrupt ausgegeben. Dieser Unterspannungs-Interrupt kann insbesondere auch dann ausgegeben werden, wenn der Mikrocontroller im Schlafzustand ist, so dass ein Unterschreiten der minimalen Betriebsspannung des Mikrocontrollers in jedem Betriebszustand verhindert werden kann. Anschließend wird in Schritt 242 der Ladevorgang gestoppt, d. h. es wird keine Energie von dem ersten Speicher in den zweiten Speicher übertragen. In einem nachfolgenden Schritt 244 geht die Steuerlogik 9 für eine Zeitdauer DROPTIME in einen Schlafzustand über. Für die Zeit DROPTIME wird somit das Laden des zweiten Speichers mit Energie aus dem ersten Speicher ausgesetzt. Die Zeit DROPTIME kann beispielsweise zwischen 0,2 und 20 Sekunden, insbesondere zwischen 0,5 und 20 Sekunden und bevorzugt zwischen 1 und 10 Sekunden betragen, beispielsweise etwa 3 Sekunden. Diese Zeit kann dazu genutzt werden, den ersten Speicher 6 aus der Energie-Harvester-Einrichtung 12 und/oder aus dem zweiten Speicher 3 wieder zu laden, so dass die Energieversorgung des Mikrocontrollers 9 weiterhin gesichert ist und gegebenenfalls mit dem Laden des zweiten Speichers 3 fortgefahren werden kann. Die Zeit DROPTIME wird jedoch so kurz wie möglich gehalten, so dass möglichst schnell mit dem Laden des zweiten Speichers fortgefahren werden kann. In einem Schritt 246 wird anschließend ermittelt, ob die Spannung VCC, d. h. der Speicherstand des ersten Speichers, größer als der Schwellenwert WINDOW_UPPER_LIMIT ist. Falls dies nicht der Fall ist, schreitet das Verfahren mit Schritt 250 fort, andernfalls geht das Verfahren zu Schritt 248 über, in dem der Ladevorgang erneut gestartet wird, bevor das Verfahren zu Schritt 250 übergeht.
In Schritt 250 geht die Steuerlogik 9 für eine Zeitdauer SYSTIME in einen Schlafzustand über, wie bereits oben erläutert worden ist, um anschließend in einem Schritt 252 in das Hauptprogramm zurückzukehren und dort mit Schritt 202 der 8 fortzusetzen.
Modifikationen der gezeigten Ausführungsform sind möglich. Insbesondere kann das erfindungsgemäße System alternativ oder zusätzlich eine Anzeige, insbesondere eine LCD- oder eInk-Anzeige und/oder einen Sensor, insbesondere einen Temperatursensor aufweisen.
Bezugszeichenliste

2, 102: Erster Speicher
3, 103: Zweiter Speicher
4, 104: Erste Konvertiereinheit
5: Zweite Konvertiereinheit
6: Eingangskonverter
7: Motor
8: RF-Sender/Empfänger
9: Steuerlogik
10: Schalter
11: Verstärker
12: Energiequelle
21, 121: Erster Ausgang
22, 122: Knoten
23: Eingang
24: Zweiter Ausgang
41, 42, 141: Transistor
43, 44, 143: Widerstand
45, 46, 145: Knoten
47, 48: Schutzdiode
49, 149: Induktivität
50: Knoten
51: Diode
52: Transistor
53: Widerstand
58: Kapazität
59: Induktivität
61, 62: Transformator
63: Diode
64, 65, 66: Schalter
67, 68: Diode
70: Vorwiderstand
200–230; 240–252: Verfahrensschritte
GND: Masseanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007/0182362 A1 [0004]
US 2011/0084648 A1 [0005]
DE 102011111839 [0024]
US 2012/0248204 A1 [0041]

Claims

Vorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie, welche von einer Energiequelle (12) empfangen wird, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: – einen Eingang (23) zum Verbinden mit der Energiequelle (12), – einen ersten (21) und einen zweiten (24) Ausgang zum Versorgen elektrischer Einrichtungen (7, 8) mit elektrischer Leistung, – einen ersten Speicher (2), welcher mittelbar oder unmittelbar an den Eingang (23) gekoppelt ist, wobei der erste Ausgang (21) an den ersten Speicher (2) gekoppelt ist, – einen zweiten Speicher (3), welcher mittelbar oder unmittelbar an den zweiten Ausgang (24) gekoppelt ist, wobei eine Kapazität des zweiten Speichers (3) größer ist als eine Kapazität des ersten Speichers (2), – eine erste Konvertiereinheit (4), welche zwischen den ersten (2) und den zweiten (3) Speicher gekoppelt ist und eingerichtet ist, Energie von dem ersten Speicher (2) in den zweiten Speicher (3) zu laden, wenn ein Speicherstand des ersten Speichers (2) einen ersten Schwellenwert überschreitet, und Energie von dem zweiten Speicher (3) in den ersten Speicher (2) zu laden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) einen zweiten Schwellenwert unterschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine zweite Konvertiereinheit (5) zwischen den zweiten Speicher (3) und den zweiten Ausgang (24) der Speichervorrichtung geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite Konvertiereinheit (5) einen DC/DC-Wandler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste und die zweite Konvertiereinheit (4, 5) von einer einzigen Steuerlogik (9) gesteuert werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Speicher (2) und/oder der zweite Speicher (3) einen Kondensator umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Kondensator des ersten Speichers (2) eine Kapazität zwischen 5 μF und 1 mF aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kondensator des zweiten Speichers (3) eine Kapazität zwischen 500 mF und 200 F aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Speicher (3) einen Akkumulator umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Schwellenwert zwischen 1,2 V und 4 V beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schwellenwert zwischen 0,1 V und 1 V über dem zweiten Schwellenwert liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Konvertiereinheit (4) einen bidirektionalen DC/DC-Wandler umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den ersten Speicher (2) und den Eingang (23) ein Eingangskonvertierer (6) geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Konvertiereinheit (4) dazu eingerichtet ist, Energie von dem ersten Speicher (2) mit einer variablen Ladestärke in den zweiten Speicher (3) zu laden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) den ersten Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste Konvertiereinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste Konvertiereinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Inkrement zu erhöhen, wenn die Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung über einer Eingangsschwellspannung liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die erste Konvertiereinheit (4) dazu eingerichtet ist, das Inkrement in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung einzustellen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Konvertiereinheit (4) dazu eingerichtet ist, Energie von dem ersten Speicher (2) mit einer variablen Ladestärke in den zweiten Speicher (3) zu laden, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) unter dem ersten Schwellenwert liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die erste Konvertiereinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung zu variieren, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) unter dem ersten Schwellenwert liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die erste Konvertiereinheit (4) dazu eingerichtet ist, die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Dekrement zu verringern und das Dekrement in jedem Zyklus in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung einzustellen, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) unter dem ersten Schwellenwert liegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Schlafmodus aufweist und wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, den Schlafmodus zu verlassen, wenn die Spannung am ersten Ausgang (21) unter einen dritten Schwellenwert abfällt.
System, welches eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie zumindest eine Nutzeinrichtung, welche an den ersten oder zweiten Ausgang (21, 24) der Vorrichtung gekoppelt ist, umfasst.
System nach Anspruch 21, wobei die zumindest eine Nutzeinrichtung einen Elektromotor (7) umfasst, welcher an den zweiten Ausgang (24) der Vorrichtung gekoppelt ist.
System nach Anspruch 21 oder 22, wobei die zumindest eine Nutzeinrichtung einen RF-Sender und/oder -Empfänger (8) umfasst, welcher an den ersten Ausgang (21) der Vorrichtung gekoppelt ist.
System nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Nutzeinrichtung einen an den ersten oder zweiten Ausgang der Vorrichtung gekoppelten Sensor umfasst.
System nach einem der Ansprüche 21 bis 24, welches ferner eine Energiequelle (12) umfasst, welche mit dem Eingang (23) der Vorrichtung verbunden ist.
System nach Anspruch 25, wobei die Energiequelle (12) ein thermoelektrisches und/oder ein photoelektrisches Element und/oder eine andere Energy-Harvesting Einrichtung aufweist.
Ventilsteller mit einem System nach einem der Ansprüche 21 bis 26.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, die einen Eingang (23) zum Verbinden mit einer Energiequelle (12), einen ersten Speicher (2) und einen zweiten Speicher (3) aufweist, bei dem Energie mit einer variablen Ladestärke von dem ersten Speicher (2) in den zweiten Speicher (3) geladen wird, wenn ein Speicherstand des ersten Speichers (2) einen ersten Schwellenwert überschreitet, wobei die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Inkrement erhöht wird, wenn die Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung über einer Eingangsschwellspannung liegt.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem das Inkrement in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem die Ladestärke verringert wird, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) den ersten Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die Ladestärke in Abhängigkeit einer Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung verringert wird, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) den ersten Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die Ladestärke zyklisch über mehrere Zyklen jeweils um ein Dekrement verringert wird und das Dekrement in jedem Zyklus in Abhängigkeit der Spannung an dem Eingang (23) der Vorrichtung eingestellt wird, wenn der Speicherstand des ersten Speichers (2) den ersten Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, wobei das Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 verwendet wird.
Maschinenlesbares Medium mit darauf gespeicherten Instruktionen, die, wenn sie von einer Maschine ausgeführt werden, die Maschine dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34 auszuführen.