DE102014206830A1

DE102014206830A1 - Apparatus and method for energy production

Info

Publication number: DE102014206830A1
Application number: DE102014206830.4A
Authority: DE
Inventors: Georg Tenckhoff; Alexander Graf; Kyle Retan
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2015-10-15
Also published as: WO2015154944A1

Abstract

Eine Vorrichtung (100) zur Energiegewinnung weist eine Koppelschnittstelle (110) zum Empfangen eines Eingangssignals (120) mit einem Eingangsfrequenzspektrum, wobei das Eingangssignal (120) eine von einem Koppelelement (102) zum Aufnehmen von Umgebungsenergie (106) aus der Umgebung der Vorrichtung (100) bereitgestellte Schwingungsenergie repräsentiert, eine Wandlereinrichtung (112) zum Wandeln des Eingangssignals (120) in ein Speichersignal (122), das eine in einen Energiespeicher (114) speicherbare Energie repräsentiert, wobei das Eingangssignal (120) und das Speichersignal (122) zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums eine konstante Phasenverschiebung zueinander aufweisen, und eine Speicherschnittstelle (125) zum Bereitstellen des Speichersignals (122) an den Energiespeicher (114) auf.A power generating apparatus (100) includes a coupling interface (110) for receiving an input signal (120) having an input frequency spectrum, the input signal (120) being coupled by a coupling element (102) for receiving ambient energy (106) from the environment of the device (10). 100) provides oscillatory energy, transducer means (112) for converting the input signal (120) into a memory signal (122) representing energy storable in an energy store (114), the input signal (120) and the memory signal (122) at least in a frequency band of the input frequency spectrum have a constant phase shift to one another, and a memory interface (125) for providing the memory signal (122) to the energy store (114).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zur Energiegewinnung aus der Umgebung. The present invention relates to a device and to a method for generating energy from the environment.

Bisherige Energy Harvester für mechanische oder elektromagnetische Schwingungsenergie entnehmen der Umgebung nur schmalbandig Energie, also gleichzeitig nur bei einer Frequenz. Previous Energy Harvester for mechanical or electromagnetic vibration energy take in the environment only narrow-band energy, so at the same time only at one frequency.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Energiegewinnung aus der Umgebung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Against this background, the present invention provides an improved apparatus and method for generating energy from the environment according to the main claims. Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and the description below.

In vielen Anwendungen von Vorrichtungen oder Verfahren zur Energiegewinnung, auch Energy Harvesting genannt, liegt die nutzbare Energie in mehreren Frequenzbändern gleichzeitig oder als Rauschen vor, also im Frequenzbereich "verschmiert". Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt einen allgemeingültigen Ansatz die Energie aus mehreren, auch beliebig vielen, Frequenzen gleichzeitig, bzw. auch aus Rauschen der Nutzung zugänglich zu machen. Außerdem wird durch den vorgestellten Ansatz die breitbandige Bedämpfung eines Systems ermöglicht, da das Entnehmen von Systemenergie aus dem System nichts anderes als eine Bedämpfung darstellt. In many applications of devices or methods for energy production, also called energy harvesting, the usable energy is present in several frequency bands simultaneously or as noise, ie in the frequency range "smeared". The approach presented here describes a generally valid approach to make the energy from several, even as many as desired, frequencies accessible at the same time, or even from noise of use. In addition, the presented approach allows the broadband damping of a system, since the extraction of system energy from the system is nothing more than a damping.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Energiegewinnung weist die folgenden Merkmale auf:
eine Koppelschnittstelle zum Empfangen eines Eingangssignals mit einem Eingangsfrequenzspektrum, wobei das Eingangssignal eine von einem Koppelelement zum Aufnehmen von Umgebungsenergie aus der Umgebung der Vorrichtung bereitgestellte Schwingungsenergie repräsentiert;
eine Wandlereinrichtung zum Wandeln des Eingangssignals in ein Speichersignal, das eine in einen Energiespeicher speicherbare Energie repräsentiert, wobei das Eingangssignal und das Speichersignal zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums eine zumindest annähernd konstante Phasenverschiebung zueinander aufweisen; und
eine Speicherschnittstelle zum Bereitstellen des Speichersignals an den Energiespeicher. A corresponding device for generating energy has the following features:
a coupling interface for receiving an input signal having an input frequency spectrum, the input signal representing a vibration energy provided by a coupling element for receiving ambient energy from the environment of the device;
converter means for converting the input signal into a memory signal representing an energy storable in an energy store, wherein the input signal and the memory signal have an at least approximately constant phase shift relative to each other at least in a frequency band of the input frequency spectrum; and
a memory interface for providing the memory signal to the energy store.

Die Vorrichtung zur Energiegewinnung kann einerseits verwendet werden, um in der Umgebung vorhandene Schwingungsenergie zu nutzen, um einen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie aufzuladen. Die in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherte Energie kann beispielsweise für den Betrieb einer elektrischen Einrichtung verwendet werden. Auf diese Weise kann ein autarkes System realisiert werden. Eine solche Vorrichtung zur Energiegewinnung wird auch als Energie Harvester bezeichnet. Zum anderen kann die Vorrichtung verwendet werden, um in der Umgebung vorhandene Schwingungsenergie zu dämpfen. Das Koppelelement kann ausgebildet sein, um durch die in der Umgebung vorhandene Schwingungsenergie in Schwingung versetzt zu werden. Die Schwingung kann zum Bereitstellen von Schwingungsenergie an die Koppelschnittstelle verwendet werden. Die Koppelschnittstelle kann ausgebildet sein, um die Schwingungsenergie in Form des Eingangssignals, insbesondere eines elektrischen Wechselsignals, zu empfangen. Das Eingangssignal kann beispielsweise ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung sein. Das Eingangssignal kann ein breites Frequenzspektrum aufweisen. Das genannte Frequenzband kann einen breitbandigen Bereich des Frequenzspektrums oder das gesamte Frequenzspektrum abdecken. Das Eingangssignal kann aus mehreren überlagerten Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen zusammengesetzt sein, wobei die unterschiedlichen Frequenzen innerhalb des genannten Frequenzbandes liegen können. Die innerhalb des Frequenzbandes liegenden Frequenzen der Schwingungen können sich über eine Betriebszeit der Vorrichtung verändern. Das Frequenzband kann auch Frequenzen von durch Rauschen hervorgerufenen Schwingungen umfassen. Bei dem Energiespeicher kann es sich beispielsweise um einen Kondensator handeln. Der Energiespeicher kann Teil der Vorrichtung sein oder separat ausgeführt sein. Die Wandlereinrichtung kann ausgebildet sein, um die Koppelschnittstelle mit dem Energiespeicher zu verbinden und einen Energiefluss zwischen der Koppelschnittstelle und dem Energiespeicher zu ermöglichen. Durch das Wandeln kann beispielsweise ein Signalverlauf oder Signalpegel des Eingangssignals verändert werden. Die Wandlereinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Phasenverzögerung des Eingangssignals zu bewirken. Durch die Phasenverzögerung kann das Speichersignal eine Phasendifferenz in Bezug auf das Eingangssignal aufweisen. Die Phasendifferenz kann innerhalb des genannten Frequenzbands durchgängig konstant oder annähernd konstant sein. Annähernd konstant kann beispielsweise bedeuten, dass der Wert der Phasendifferenz über das Frequenzband innerhalb eines systembedingten Toleranzkorridors um einen konstanten Sollwert liegt. Der genannte Toleranzkorridor kann beispielsweise eine tolerierte Abweichung von 5°, 10° oder 20° von dem Sollwert der Phasendifferenz definieren. Durch die Phasenverschiebung kann das Eingangssignal frequenzselektiv zeitlich verzögert werden. On the one hand, the device for generating energy can be used to use vibration energy present in the environment in order to charge an electrical energy store with electrical energy. The stored energy in the electrical energy storage can be used for example for the operation of an electrical device. In this way, a self-sufficient system can be realized. Such a device for energy production is also referred to as an energy harvester. On the other hand, the device can be used to dampen existing vibration energy in the environment. The coupling element can be designed to be vibrated by the vibration energy present in the environment. The vibration may be used to provide vibrational energy to the coupling interface. The coupling interface can be designed to receive the vibration energy in the form of the input signal, in particular an electrical alternating signal. The input signal may be, for example, an electrical current or an electrical voltage. The input signal can have a wide frequency spectrum. The said frequency band can cover a broadband range of the frequency spectrum or the entire frequency spectrum. The input signal may be composed of a plurality of superposed oscillations having different frequencies, wherein the different frequencies may be within said frequency band. The frequencies of the vibrations lying within the frequency band can change over an operating time of the device. The frequency band may also include frequencies of noise caused by noise. The energy store may be, for example, a capacitor. The energy store may be part of the device or be designed separately. The converter device can be designed to connect the coupling interface with the energy store and to enable an energy flow between the coupling interface and the energy store. By converting, for example, a waveform or signal level of the input signal can be changed. The converter means may be configured to cause a phase delay of the input signal. Due to the phase delay, the memory signal may have a phase difference with respect to the input signal. The phase difference may be constant throughout or approximately constant within said frequency band. For example, approximately constant may mean that the value of the phase difference over the frequency band lies within a system-dictated tolerance corridor around a constant setpoint value. The said tolerance corridor may, for example, define a tolerated deviation of 5 °, 10 ° or 20 ° from the nominal value of the phase difference. Due to the phase shift, the input signal can be delayed in frequency-selective manner.

Beispielsweise können das Eingangssignal und das Speichersignal in dem zumindest einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums eine konstante oder annähernd konstante Phasenverschiebung von einer viertel Periode zueinander aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Phasenverschiebung betragsmäßig zwischen 80° und 100°, insbesondere bei 90° liegen. Dabei kann das Speichersignal dem Eingangssignal nacheilen. Die Phasenverschiebung kann dabei über einen breitbandigen Frequenzbereich bewirkt werden. Somit kann die Wandlereinrichtung so ausgelegt sein, dass sie eine Phasenverzögerung von in etwa einer viertel Periode das genannte Frequenzband, dass beispielsweise einen möglichst großen Bereich des Frequenzspektrums oder das gesamte Frequenzspektrum des in die Koppelschnittstelle eingespeisten Eingangssignals umfassen kann, durchführen kann. Bei einer Phasenverschiebung von –90° kann der Energieübertrag von der in die Koppelschnittstelle eingespeisten Schwingungsenergie zu dem Energiespeicher optimal sein. For example, the input signal and the memory signal in the at least one frequency band of the input frequency spectrum may have a constant or approximately constant phase shift of one-quarter period to each other. According to one embodiment, the phase shift may amount to between 80 ° and 100 °, in particular at 90 °. The memory signal can lag the input signal. The phase shift can be effected over a broadband frequency range. Thus, the converter means may be arranged to perform a phase delay of approximately one-quarter period of said frequency band, which may include, for example, the largest possible range of the frequency spectrum or the entire frequency spectrum of the input signal fed into the coupling interface. With a phase shift of -90 °, the energy transfer from the oscillatory energy fed into the coupling interface to the energy store can be optimal.

Beispielsweise kann das Frequenzband in dem das Eingangssignal und das Speichersignal eine zumindest annähernd konstante Phasenverschiebung zueinander aufweisen eine Breite von zumindest 1kHz, zumindest 10kHz, zumindest 100kHz oder zumindest 1MHz aufweisen. Auf diese Weise können Schwingungen innerhalb eines geeignet großen Frequenzbandes zur Energiegewinnung genutzt werden. For example, the frequency band in which the input signal and the memory signal have an at least approximately constant phase shift relative to one another have a width of at least 1 kHz, at least 10 kHz, at least 100 kHz or at least 1 MHz. In this way, vibrations within a suitable large frequency band can be used for energy production.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Wandlereinrichtung zum Bewirken der zumindest annähernd konstanten Phasenverschiebung eine Phasenverschiebungseinrichtung aufweisen. Die Phasenverschiebungseinrichtung kann zum Bewirken der Phasenverschiebung einen Phasengang aufweisen, der einem invertierten und um einen vorbestimmten Phasenwert verschobenen Phasengang der Wandlereinrichtung bei überbrückter, d.h. inaktiver, Phasenverschiebungseinrichtung entspricht. Der vorbestimmte Phasenwert kann beispielsweise –90° betragen. Auf diese Weise kann der ohnehin vorhandene Phasengang der Wandlereinrichtung durch die Phasenverschiebungseinrichtung geeignet ergänzt werden, sodass sich ein resultierender Gesamtphasengang ergibt, der zumindest in dem genannten Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums einen konstanten Verlauf, beispielsweise bei –90° aufweist. Somit kann die Wandlereinrichtung durch eine aktive Phasenverschiebungseinrichtung einen Phasengang von in etwa –90° über den gesamten oder einen möglichst großen Frequenzbereich des Eingangssignals aufweisen. According to an embodiment, the converter means may comprise a phase shifter for effecting the at least approximately constant phase shift. The phase shifter may have a phase response for effecting the phase shift which corresponds to an inverted phase signal of the transducer means shifted by a predetermined phase value at bridged, i. inactive, phase shifting device corresponds. The predetermined phase value may be, for example, -90 °. In this way, the already existing phase response of the transducer device can be suitably supplemented by the phase shifting device, so that a resulting overall phase response results, which has a constant course, for example at -90 °, at least in said frequency band of the input frequency spectrum. Thus, the transducer means by an active phase shifting device having a phase response of about -90 ° over the entire or the largest possible frequency range of the input signal.

Beispielsweise kann die Phasenverschiebungseinrichtung ein Filter sein. Beispielsweise kann die Phasenverschiebungseinrichtung als ein lineares Filter oder ein Allpassfilter ausgeführt sein. Ein solches Filter lässt sich einfach realisieren und betreiben. For example, the phase shifting device may be a filter. By way of example, the phase shifting device can be embodied as a linear filter or an all-pass filter. Such a filter is easy to implement and operate.

Die Wandlereinrichtung kann eine Serienschaltung aus einem Gleichrichter und einem Aufwärtswandler aufweisen. Die Serienschaltung kann zwischen die Koppelschnittstelle und die Speicherschnittstelle geschaltet sein. Je nach Ausführungsform kann die Serienschaltung als Teil der Wandlereinrichtung oder als separate Einrichtung ausgeführt sein. Somit kann das Speichersignal je nach Ausführungsbeispiel entweder ein Signal darstellen, das eingangseitig in den Gleichrichter eingespeist wird, oder das ausgangsseitig von dem Aufwärtswandler ausgegeben wird. Der Gleichrichter kann beispielsweise eingangseitig mit der Koppelschnittstelle und der Aufwärtswandler ausgangsseitig mit dem Energiespeicher gekoppelt sein. Durch den Gleichrichter kann das Eingangssignal oder ein durch eine Phasenverschiebungseinrichtung verzögertes Eingangssignal gleichgerichtet werden. Durch den Aufwärtswandler kann ein Pegel des gleichgerichteten Eingangssignals oder des gleichgerichteten Speichersignals geändert werden. Dadurch kann beispielsweise ein Spannungswert des gleichgerichteten Signals erhöht werden. Auf diese Weise kann die Einspeisung der elektrischen Energie in den Energiespeicher verbessert werden. Alternativ zu einem Aufwärtswandler kann auch ein Abwärtswandler eingesetzt werden. The converter means may comprise a series circuit of a rectifier and a boost converter. The series circuit can be connected between the coupling interface and the memory interface. Depending on the embodiment, the series circuit may be designed as part of the converter device or as a separate device. Thus, depending on the exemplary embodiment, the memory signal can either represent a signal which is fed into the rectifier on the input side or which is output on the output side by the up-converter. The rectifier can be coupled on the input side with the coupling interface and the up-converter on the output side with the energy storage, for example. The rectifier can rectify the input signal or an input signal delayed by a phase shifter. By the up-converter, a level of the rectified input signal or the rectified memory signal can be changed. As a result, for example, a voltage value of the rectified signal can be increased. In this way, the supply of electrical energy can be improved in the energy storage. Alternatively to a boost converter, a buck converter can also be used.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Wandlereinrichtung zum Bewirken der zumindest annähernd konstanten Phasenverschiebung eine Phasenverschiebungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um unter Verwendung von Energie aus dem Energiespeicher ein Verschiebungssignal zu generieren und dem Eingangssignal zu überlagern. Dazu kann die Phasenverschiebungseinrichtung ausgebildet sein, um Energie des Energiespeichers über eine Schnittstelle zu dem Energiespeicher zu empfangen. Somit kann die Phasenverschiebungseinrichtung ausgebildet sein, um zum Bewirken der Phasenverschiebung Energie aus dem Energiespeicher gemäß einem Regelschema in die Koppelschnittstelle einzuspeisen. Dadurch kann die Phasenverschiebungseinrichtung ausgebildet sein, um Energie aus dem Energiespeicher in die Koppelschnittstelle zurückzuführen. Das Regelschema kann so gewählt sein, dass die konstante Phasenverschiebung durch das Einspeisen der Energie aus dem Energiespeicher in die Koppelschnittstelle erreicht wird. Das Regelschema kann fest vorgegeben oder einstellbar sein. Auf diese Weise kann die Phasenverschiebung durch die Phasenverschiebungseinrichtung geregelt werden. According to one embodiment, the converter means for effecting the at least approximately constant phase shift may comprise a phase shifter configured to generate a shift signal using energy from the energy store and to superimpose it on the input signal. For this purpose, the phase shifting device can be designed to receive energy of the energy store via an interface to the energy store. Thus, the phase shifting device can be designed to feed energy from the energy store into the coupling interface in accordance with a control scheme in order to effect the phase shift. As a result, the phase shifting device can be designed to return energy from the energy store to the coupling interface. The control scheme can be chosen so that the constant phase shift is achieved by feeding the energy from the energy storage in the coupling interface. The control scheme can be fixed or adjustable. In this way, the phase shift can be controlled by the phase shifter.

Beispielsweise kann die Phasenverschiebungseinrichtung ausgebildet sein, um das Verschiebungssignal so zu generieren, dass ein Ist-Phasengang der Wandlereinrichtung einem die konstante Phasenverschiebung bewirkenden Soll-Phasengang der Wandlereinrichtung angenähert wird. Der Ist-Phasengang kann unter Verwendung einer geeigneten Messeinrichtung bestimmt werden. Der Soll-Phasengang kann beispielsweise bei zumindest annähernd konstant –90° liegen. Auf diese Weise kann der Phasengang der Wandlereinrichtung fortlaufend nachgeregelt werden. By way of example, the phase shifting device may be designed to generate the displacement signal in such a way that an actual phase response of the transducer device is approximated to a desired phase shift of the transducer device causing the constant phase shift. He is- Phase response can be determined using a suitable measuring device. The desired phase response may be, for example, at least approximately constant -90 °. In this way, the phase response of the converter device can be readjusted continuously.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Phasenverschiebungseinrichtung ausgebildet sein, um das Verschiebungssignal so zu generieren, dass ein Ist-Systemzustand der Umgebung einem Soll-Systemzustand der Umgebung angenähert wird. Der Systemzustand der Umgebung kann beispielsweise ein Schwingungszustand der Umgebung sein. Dadurch kann eine geregelte Bedämpfung einer in der Umgebung vorhandenen Schwingung durchgeführt werden. According to one embodiment, the phase shifting device may be configured to generate the displacement signal such that an actual system state of the environment is approximated to a target system state of the environment. The system state of the environment may be, for example, a state of vibration of the environment. As a result, a controlled damping of an existing vibration in the environment can be performed.

Die Phasenverschiebungseinrichtung kann zum Generieren des Verschiebungssignals zumindest einen Schalter und eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen des zumindest einen Schalters aufweisen. Dabei kann der zumindest eine Schalter zwischen einem Anschluss des Energiespeichers und einem Anschluss der Koppelschnittstelle angeordnet sein. Durch Öffnen und Schließen des zumindest einen Schalters gemäß einem Regelschema kann Energie aus dem Energiespeicher zeitlich gesteuert in die Koppelschnittstelle zurückgeführt und mit der in die Koppelschnittstelle eingespeisten Schwingungsenergie überlagert werden. Dadurch kann die Phasenverschiebung des Eingangssignals bewirkt werden. The phase shifting device may have at least one switch and an actuating device for actuating the at least one switch for generating the displacement signal. In this case, the at least one switch can be arranged between a connection of the energy store and a connection of the coupling interface. By opening and closing the at least one switch according to a control scheme, energy from the energy store can be timed and fed back into the coupling interface and superimposed with the oscillation energy fed into the coupling interface. This can cause the phase shift of the input signal.

Beispielsweise kann die Phasenverschiebungseinrichtung zum Generieren des Verschiebungssignals eine Vollbrückenschaltung mit vier Schaltern aufweisen und die Betätigungseinrichtung kann zum Betätigen der vier Schalter ausgebildet sein. Dabei kann ein erster Schalter der Vollbrückenschaltung zwischen einem ersten Anschluss des Energiespeichers und einem ersten Anschluss der Koppelschnittstelle, ein zweiter Schalter der Vollbrückenschaltung zwischen dem ersten Anschluss des Energiespeichers und einem zweiten Anschluss der Koppelschnittstelle, ein dritter Schalter der Vollbrückenschaltung zwischen dem ersten Anschluss der Koppelschnittstelle und einem zweiten Anschluss des Energiespeichers, und ein vierter Schalter der Vollbrückenschaltung zwischen dem zweiten Anschluss der Koppelschnittstelle und dem zweiten Anschluss des Energiespeichers geschaltet sein. Durch die Verwendung einer Vollbrücke kann eine Einspeisung von Energie aus dem Energiespeicher in die Koppelschnittstelle sehr genau gesteuert werden. For example, the phase shifting device for generating the displacement signal may comprise a full bridge circuit with four switches, and the actuating device may be designed to actuate the four switches. In this case, a first switch of the full bridge circuit between a first terminal of the energy store and a first terminal of the coupling interface, a second switch of the full bridge between the first terminal of the energy storage and a second terminal of the coupling interface, a third switch of the full bridge circuit between the first terminal of the coupling interface and a second terminal of the energy store, and a fourth switch of the full bridge circuit between the second terminal of the coupling interface and the second terminal of the energy storage to be connected. By using a full bridge, a supply of energy from the energy storage in the coupling interface can be controlled very accurately.

Die Vorrichtung kann das Koppelelement aufweisen. Das Koppelelement kann mit der Koppelschnittstelle gekoppelt sein. The device may comprise the coupling element. The coupling element can be coupled to the coupling interface.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Koppelelement eine schwingfähige Masse zum Aufnehmen von mechanischer Schwingungsenergie aus der Umgebung aufweisen. Ferner kann das Koppelelement eine Einrichtung zum Wandeln der mechanischen Schwingungsenergie in elektrische Schwingungsenergie zum Bereitstellen an der Koppelschnittstelle aufweisen. Somit können mechanische Schwingungen der Umgebung, beispielsweise Schwingungen eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases, auf die schwingfähige Masse des Koppelelements übertragen werden und die schwingfähige Masse in Schwingung versetzen. Die Schwingung der schwingfähigen Masse kann zur Bereitstellung der elektrischen Schwingungsenergie verwendet werden. Die elektrische Schwingungsenergie kann in Form des Eingangssignals in die Koppelschnittstelle eingespeist werden. According to one embodiment, the coupling element may comprise a vibratable mass for receiving mechanical vibration energy from the environment. Furthermore, the coupling element can have a device for converting the mechanical oscillation energy into electrical oscillation energy for provision at the coupling interface. Thus, mechanical vibrations of the environment, such as vibrations of a solid, a liquid or a gas can be transmitted to the oscillatory mass of the coupling element and put the oscillatory mass in vibration. The vibration of the vibratable mass can be used to provide the electrical vibrational energy. The electrical vibration energy can be fed in the form of the input signal into the coupling interface.

Alterativ oder zusätzlich kann das Koppelelement ausgebildet sein, um elektromagnetische Schwingungsenergie aus der Umgebung aufzunehmen und als elektrische Schwingungsenergie an der Koppelschnittstelle bereitzustellen. Auf diese Weise können auch elektromagnetische Schwingungen zur Energiegewinnung genutzt werden. Alternatively or additionally, the coupling element can be designed to absorb electromagnetic vibrational energy from the environment and to provide it as electrical vibrational energy at the coupling interface. In this way, electromagnetic oscillations can be used to generate energy.

Ein entsprechendes Verfahren zur Energiegewinnung umfasst die folgenden Schritte:
Empfangen eines Eingangssignals mit einem Eingangsfrequenzspektrum, wobei das Eingangssignal eine von einem Koppelelement zum Aufnehmen von Umgebungsenergie aus der Umgebung der Vorrichtung bereitgestellte Schwingungsenergie repräsentiert;
Wandeln des Eingangssignals in ein Speichersignal, das eine in einen Energiespeicher speicherbare Energie repräsentiert, wobei das Eingangssignal und das Speichersignal zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums eine zumindest annähernd konstante Phasenverschiebung zueinander aufweisen; und
Bereitstellen des Speichersignals an einer Speicherschnittstelle zu dem Energiespeicher. A corresponding method for obtaining energy comprises the following steps:
Receiving an input signal having an input frequency spectrum, the input signal representing a vibration energy provided by a coupling element for receiving ambient energy from the environment of the device;
Converting the input signal into a memory signal representing an energy storable in an energy storage, wherein the input signal and the memory signal at least in a frequency band of the input frequency spectrum have an at least approximately constant phase shift to each other; and
Providing the memory signal at a memory interface to the energy store.

Ein solches Verfahren kann vorteilhaft im Zusammenhang mit der genannten Vorrichtung zur Energiegewinnung ausgeführt werden. Such a method can be advantageously carried out in connection with said device for generating energy.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein System mit einer Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a system with a device for generating energy according to an embodiment of the present invention;

2 eine Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a device for generating energy according to an embodiment of the present invention;

3 eine Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a device for generating energy according to an embodiment of the present invention;

4 eine Koppeleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 a coupling device according to an embodiment of the present invention;

5 eine Koppeleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5 a coupling device according to an embodiment of the present invention;

6 eine Koppeleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 6 a coupling device according to an embodiment of the present invention;

7 eine Darstellung eines Systemverhaltens einer Vorrichtung zur Energiegewinnung ohne durchgeführte Phasenverschiebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 7 a representation of a system behavior of a device for energy production without performing phase shift according to an embodiment of the present invention;

8 eine Darstellung eines Reglerverhaltens einer Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 8th a representation of a controller behavior of a device for energy generation according to an embodiment of the present invention;

9 eine Darstellung eines Systemverhaltens einer Vorrichtung zur Energiegewinnung mit durchgeführter Phasenverschiebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 9 a representation of a system behavior of a device for energy recovery with performed phase shift according to an embodiment of the present invention;

10 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 10 a representation of a device for generating energy according to an embodiment of the present invention; and

11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 11 a flowchart of a method for energy generation according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt ein System mit einer Vorrichtung 100 zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das System umfasst neben der Vorrichtung 100 ein Koppelelement 102 und einen elektrischen Verbraucher 104, beispielsweise einen mit einem Sender gekoppelten Sensor. Das Koppelelement 102 ist ausgebildet, um Schwingungsenergie 106 aus der Umgebung des Systems aufzunehmen und zumindest einen Teil der aufgenommenen Schwingungsenergie 106 an die Vorrichtung 100 bereitzustellen. 1 shows a system with a device 100 for power generation according to an embodiment of the present invention. The system includes beside the device 100 a coupling element 102 and an electrical consumer 104 , For example, a coupled to a transmitter sensor. The coupling element 102 is designed to vibrational energy 106 from the environment of the system and at least part of the recorded vibration energy 106 to the device 100 provide.

Die Vorrichtung 100 weist eine Koppelschnittstelle 110, eine Wandlereinrichtung 112, einen Energiespeicher 114 und eine Ausgangsschnittstelle 116 auf. Über die Ausgangsschnittstelle 116 kann der elektrische Verbraucher 104 mit Energie aus dem Energiespeicher 114 versorgt werden. The device 100 has a coupling interface 110 , a converter device 112 , an energy store 114 and an output interface 116 on. Via the output interface 116 can the electrical consumer 104 with energy from the energy storage 114 be supplied.

Die Vorrichtung 100 kann über die Koppelschnittstelle 110 mit dem Koppelelement 102 gekoppelt werden, wie es in 1 gezeigt ist. Die Vorrichtung 100 ist ausgebildet, um von dem Koppelelement 102 an der Koppelschnittstelle 110 bereitgestellte Schwingungsenergie, beispielsweise in Form eines elektrischen Eingangssignals 120, zu empfangen. Die Koppelschnittstelle 110 ist mit der Wandlereinrichtung 112 verbunden und ausgebildet, um von dem Koppelelement 102 empfangene Schwingungsenergie an die Wandlereinrichtung 112 bereitzustellen. Die Wandlereinrichtung 112 ist ausgebildet, um die über die Koppelschnittstelle 110 empfangene Schwingungsenergie zumindest innerhalb eines Frequenzbandes einer zumindest annähernd konstanten Phasenverschiebung zu unterziehen und in elektrische Energie zum Einspeisen in den Energiespeicher 114 zu wandeln. Die elektrische Energie kann in Form eines Speichersignals 122 an den Energiespeicher 114 ausgegeben werden. The device 100 can via the coupling interface 110 with the coupling element 102 be coupled as it is in 1 is shown. The device 100 is adapted to from the coupling element 102 at the coupling interface 110 provided vibration energy, for example in the form of an electrical input signal 120 , to recieve. The coupling interface 110 is with the converter device 112 connected and adapted to from the coupling element 102 received vibrational energy to the transducer device 112 provide. The converter device 112 is designed to be over the coupling interface 110 subjected vibrational energy at least within a frequency band of an at least approximately constant phase shift and into electrical energy for feeding into the energy storage 114 to change. The electrical energy can be in the form of a memory signal 122 to the energy storage 114 be issued.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Wandlereinrichtung 112 einen Gleichrichter und zusätzlich oder alternativ einen Aufwärtswandler zum Gleichrichten und/oder Aufwärtswandeln des Eingangssignals 120 oder eines phasenverschobenen Eingangssignals aufweisen. Somit kann das von der Wandlereinrichtung 112 bereitgestellte Speichersignal 122 je nach Ausführungsform ein phasenverschobenes Eingangssignal 120 oder ein phasenverschobenes und zusätzlich gleichgerichtetes und/oder aufwärtsgewandeltes Eingangssignal 120 darstellen. Alternativ können ein Gleichrichter und/oder ein Aufwärtswandler zwischen einem Ausgang der Wandlereinrichtung 112 und dem Energiespeicher 114 geschaltet sein. Somit kann das von der Wandlereinrichtung 112 bereitgestellte Speichersignal 122 gleichgerichtet und/oder aufwärtsgewandelt werden und als gleichgerichtetes und/oder aufwärtsgewandeltes Speichersignal an den Energiespeicher 114 bereitgestellt werden. According to an exemplary embodiment, the converter device 112 a rectifier and additionally or alternatively a boost converter for rectifying and / or upconverting the input signal 120 or a phase-shifted input signal. Thus, this can be done by the transducer device 112 provided memory signal 122 depending on the embodiment, a phase-shifted input signal 120 or a phase-shifted and additionally rectified and / or up-converted input signal 120 represent. Alternatively, a rectifier and / or an up-converter can be connected between an output of the converter device 112 and the energy storage 114 be switched. Thus, this can be done by the transducer device 112 provided memory signal 122 rectified and / or up-converted and as a rectified and / or up-converted memory signal to the energy storage 114 to be provided.

Das Speichersignal 122 kann dem Eingangssignal 120 aufgrund der von der Wandlereinrichtung 112 bewirkten Phasenverschiebung nacheilen. Das Speichersignal 122 kann somit ein zeitverzögertes Eingangssignal 120 darstellen. Die Phasenverschiebung kann in einem relevanten Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums des Eingangssignals 120, in zumindest zwei voneinander beabstandeten relevanten Frequenzbändern des Eingangsfrequenzspektrums des Eingangssignals 120 oder über das gesamte Eingangsfrequenzspektrum des Eingangssignals 120 annähernd konstant bei –90° liegen. Somit kann das Speichersignal 122 dem Eingangssignal zumindest im Bereich des oder der relevanten Frequenzbänder durchgängig um eine viertel Periode nacheilen. Ein relevantes Frequenzband kann beispielsweise eine Breite von mehreren kHz aufweisen. The memory signal 122 can be the input signal 120 due to the of the converter device 112 lag caused phase shift. The memory signal 122 can thus be a time-delayed input signal 120 represent. The phase shift may be in a relevant frequency band of the input frequency spectrum of the input signal 120 in at least two spaced-apart relevant frequency bands of the input frequency spectrum of the input signal 120 or over the entire input frequency spectrum of the input signal 120 approximately constant at -90 °. Thus, the memory signal 122 the input signal at least in the range of or the relevant frequency bands throughout a a quarter of a period. For example, a relevant frequency band may have a width of several kHz.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Energiespeicher 114 nicht Teil der Vorrichtung 100 sein. In diesem Fall kann das Speichersignal 122 an einer Speicherschnittstelle 125 der Vorrichtung 100 zur Weiterleitung an den Energiespeicher 114 bereitgestellt werden. According to one embodiment, the energy storage 114 not part of the device 100 be. In this case, the memory signal 122 at a storage interface 125 the device 100 for forwarding to the energy storage 114 to be provided.

Die Vorrichtung 100 stellt gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Apparat zur breitbandigen Energiegewinnung aus der Umwelt dar. Dabei nutzt die Vorrichtung 100 Schwingungsenergie zum Energy Harvesting. The device 100 represents according to one embodiment, an apparatus for broadband energy production from the environment. In doing so, the device uses 100 Vibration energy for energy harvesting.

Die breitbandige "Gewinnung" von Umgebungsenergie (mech. Schwingung: Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder elektromagnetische Schwingung: E-/B-Feld, EM-Welle) zur Versorgung kleiner dezentraler Module 104, z.B. ein Sensormoduls oder Aktuatormodul, kann dadurch erfolgen, dass nicht nur über eine Resonanz- oder über eine Amplitudenbedingung an die in der Umgebung zur Verfügung stehende Schwingungsenergie angekoppelt wird. Innerhalb der Resonanz (Amplitude oder Phase) ist die Kopplung des Harvesters 100 an seine Umgebung maximal. Maximaler Energieübertrag aus der Umgebung auf den Schwinger 102 wird erreicht, wenn die Phase der Anregung der Reaktion um 90° vorauseilt. Zwar gibt es Systeme, bei denen sich die Schwingungsenergie bei einer, möglicherweise sich ändernden, Frequenz konzentriert ist, die weitaus größere Zahl realer Systeme schwingt jedoch bei mehreren und sich ändernden Frequenzen und unterliegt relevanten Rauschanregungen. Deren Nutzbarmachung erhöht den Wirkungsgrad des Harvesters 100, als Verhältnis der aus der Umgebung gewonnenen Energie zu der insgesamt zur Verfügung stehenden Energie einer bestimmten Form. The broadband "extraction" of ambient energy (mechanical oscillation: path, velocity, acceleration or electromagnetic oscillation: E / B field, EM wave) for the supply of small decentralized modules 104 , For example, a sensor module or actuator module, can be done by not only coupled via a resonance or an amplitude condition of the available vibration energy in the environment. Within the resonance (amplitude or phase) is the coupling of the harvester 100 to its environment maximum. Maximum energy transfer from the environment to the transducer 102 is reached when the phase of the excitation of the reaction leads by 90 °. While there are systems where the vibrational energy is concentrated at a possibly changing frequency, the vast majority of real systems oscillate at multiple and varying frequencies and undergo relevant noise excitations. Their utilization increases the efficiency of the harvester 100 , as the ratio of the energy gained from the environment to the total available energy of a particular shape.

Durch Verbindung eines mit der Umgebung gekoppelten Koppelgliedes der Koppeleinrichtung 102 mit einem Energiespeicher 114 und unter Zuhilfenahme einer Regelung wird aus dem mechanischen bzw. elektromagnetischen Koppelglied ein elektromechanischer, hydraulischer, pneumatischer bzw. elektromagnetischer Schwinger. Die Koppelung des Koppelglieds mit der Umgebung kann im mechanischen System z.B. eine Masse oder Kraft, im elektromagnetischen System z.B. eine Spule oder Antenne und im hydraulischen oder pneumatischen System ein Druck oder Fluss umfassen. Beispiele für elektromechanische Koppelsysteme sind in den 4 bis 6 gezeigt. Der beschriebene Ansatz umfasst darüber hinaus in gleicher Weise beliebige Kopplungen zwischen mechanisch, elektrisch, magnetisch, kapazitiv, elektromagnetisch, hydraulisch sowie pneumatisch gekoppelten Systemen in beliebiger Kombination, auch mehrfach. By connecting a coupled with the environment coupling element of the coupling device 102 with an energy storage 114 and with the aid of a control of the mechanical or electromagnetic coupling member is an electromechanical, hydraulic, pneumatic or electromagnetic oscillator. The coupling of the coupling member with the environment may include in the mechanical system, for example, a mass or force, in the electromagnetic system, for example, a coil or antenna and in the hydraulic or pneumatic system, a pressure or flow. Examples of electromechanical coupling systems are in the 4 to 6 shown. The approach described also includes in the same way any couplings between mechanical, electrical, magnetic, capacitive, electromagnetic, hydraulic and pneumatic coupled systems in any combination, even multiple.

2 zeigt ein eine Vorrichtung 100 zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist, wie anhand von 1 beschrieben, eine Koppelschnittstelle 110 zum Empfangen eines Eingangssignals 120, eine Wandlereinrichtung 112 und einen Energiespeicher 114 auf. Die Vorrichtung 100 weist eine Verschiebungseinrichtung 230, beispielsweise ein Filter, auf. Die Verschiebungseinrichtung 230 ist ausgebildet, um das Eingangssignal 120 zu empfangen und als phasenverschobenes Signal auszugeben. Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Einrichtung 232 zur Gleichrichtung und Aufwärtswandlung auf. 2 shows a device 100 for power generation according to an embodiment of the present invention. The device 100 indicates how based on 1 described, a coupling interface 110 for receiving an input signal 120 , a converter device 112 and an energy store 114 on. The device 100 has a displacement device 230 For example, a filter on. The displacement device 230 is designed to handle the input signal 120 to receive and output as a phase-shifted signal. The device 100 also has a device 232 for rectification and up-conversion.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Wandlereinrichtung 112 die Verschiebungseinrichtung 230 auf. Die Einrichtung 232 ist zwischen einem Ausgang der Wandlereinrichtung 112 und einem Eingang des Energiespeichers 114 geschaltet. Das Eingangssignal 120 und das von der Wandlereinrichtung 112 ausgegebene Speichersignal 122 weisen zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums des Eingangssignals 120 eine zumindest annähernd konstante Phasenverschiebung zueinander auf. Das Speichersignal 122 wird von der Einrichtung 232 gleichgerichtet und aufwärtsgewandelt und als gleichgerichtetes und aufwärtsgewandeltes Speichersignal 122 über eine Speicherschnittstelle an den Energiespeicher 114 bereitgestellt. According to one embodiment, the transducer device 112 the displacement device 230 on. The device 232 is between an output of the converter device 112 and an input of the energy store 114 connected. The input signal 120 and that of the transducer device 112 output memory signal 122 have at least a frequency band of the input frequency spectrum of the input signal 120 an at least approximately constant phase shift relative to one another. The memory signal 122 is from the institution 232 rectified and up-converted and as a rectified and up-converted memory signal 122 via a memory interface to the energy storage 114 provided.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Wandlereinrichtung 112 die Verschiebungseinrichtung 230 und ferner die Einrichtung 232 auf. Das Eingangssignal 120 und das von der Wandlereinrichtung 112 ausgegebene Speichersignal 122 weisen zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums des Eingangssignals 120 eine konstante Phasenverschiebung zueinander auf. Das Speichersignal 122, das einem phasenverschobenen, gleichgerichteten und aufwärtsgewandelten Eingangssignal 120 entspricht, wird über eine Speicherschnittstelle an den Energiespeicher 114 bereitgestellt. According to an alternative embodiment, the transducer means 112 the displacement device 230 and also the device 232 on. The input signal 120 and that of the transducer device 112 output memory signal 122 have at least a frequency band of the input frequency spectrum of the input signal 120 a constant phase shift to each other. The memory signal 122 , a phase-shifted, rectified and up-converted input signal 120 corresponds, is via a memory interface to the energy storage 114 provided.

3 zeigt ein eine Vorrichtung 100 zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist, wie anhand von 1 beschrieben, eine Koppelschnittstelle 110 zum Empfangen eines Eingangssignals 120, eine Wandlereinrichtung 112 und einen Energiespeicher 114 auf. Die Vorrichtung 100 weist eine Verschiebungseinrichtung 230 auf, beispielsweise eine Einrichtung zum Überlagern des Eingangssignals 120 mit einem Verschiebungssignal 340. Die Verschiebungseinrichtung 230 kann ausgebildet sein, um zum Generieren des Verschiebungssignals 340 erforderliche Energie aus dem Energiespeicher 114 zu entnehmen. Dazu kann die Verschiebungseinrichtung 230 über eine Leitung mit dem Energiespeicher 114 verbunden sein. Die Verschiebungseinrichtung 230 ist ausgebildet, um eine Phasenverschiebung des Eingangssignals 120 zu bewirken. Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Einrichtung 232 zur Gleichrichtung und Aufwärtswandlung auf. 3 shows a device 100 for power generation according to an embodiment of the present invention. The device 100 indicates how based on 1 described, a coupling interface 110 for receiving an input signal 120 , a converter device 112 and an energy store 114 on. The device 100 has a displacement device 230 on, for example, means for superimposing the input signal 120 with a shift signal 340 , The displacement device 230 can be configured to generate the shift signal 340 required energy from the energy storage 114 refer to. For this purpose, the displacement device 230 via a line with the energy storage 114 be connected. The displacement device 230 is designed to phase shift the input signal 120 to effect. The device 100 also has a device 232 for rectification and up-conversion.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Wandlereinrichtung 112 die Verschiebungseinrichtung 230 auf. Die Wandlereinrichtung 112 ist ausgebildet, um das Eingangssignal 120 in ein Speichersignal 122 zu wandeln und eingangseitig an die Einrichtung 232 bereitzustellen. Die Einrichtung 232 ist ausgangsseitig mit einem Eingang des Energiespeichers 114 gekoppelt. Das Eingangssignal 120 und das Speichersignal 122 weisen zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums des Eingangssignals 120 eine konstante Phasenverschiebung zueinander auf. Das Speichersignal 122 wird von der Einrichtung 232 gleichgerichtet und aufwärtsgewandelt und als gleichgerichtetes und aufwärtsgewandeltes Speichersignal 122 über eine Speicherschnittstelle an den Energiespeicher 114 bereitgestellt. According to one embodiment, the transducer device 112 the displacement device 230 on. The converter device 112 is designed to handle the input signal 120 in a memory signal 122 to convert and input side to the device 232 provide. The device 232 is the output side with an input of the energy storage 114 coupled. The input signal 120 and the memory signal 122 have at least a frequency band of the input frequency spectrum of the input signal 120 a constant phase shift to each other. The memory signal 122 is from the institution 232 rectified and up-converted and as a rectified and up-converted memory signal 122 via a memory interface to the energy storage 114 provided.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Wandlereinrichtung 112 die Verschiebungseinrichtung 230 und die Einrichtung 232 auf. Das Eingangssignal 120 und das von der Wandlereinrichtung 112 ausgegebene Speichersignal 122 weisen zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums des Eingangssignals 120 eine konstante Phasenverschiebung zueinander auf. Das Speichersignal 122, das einem phasenverschobenen, gleichgerichteten und aufwärtsgewandelten Eingangssignal 120 entspricht, wird über eine Speicherschnittstelle an den Energiespeicher 114 bereitgestellt. According to an alternative embodiment, the transducer means 112 the displacement device 230 and the device 232 on. The input signal 120 and that of the transducer device 112 output memory signal 122 have at least a frequency band of the input frequency spectrum of the input signal 120 a constant phase shift to each other. The memory signal 122 , a phase-shifted, rectified and up-converted input signal 120 corresponds, is via a memory interface to the energy storage 114 provided.

4 zeigt eine Koppeleinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Koppeleinrichtung 102 weist eine Masse 440 auf, die über eine Feder 442 schwingfähig gelagert ist. Die Masse 440 kann durch in der Umgebung der Koppeleinrichtung 102 vorhandene Schwingungsenergie in Schwingung versetzt werden. Die Masse 440 ist mit einer Einrichtung 444 zum Wandeln der mechanischen Schwingungsenergie der schwingenden Masse 440 in elektrische Schwingungsenergie gekoppelt. Die Einrichtung 444 ist ausgebildet, um die elektrische Schwingungsenergie beispielsweise in Form eines Eingangssignals 120 an eine Koppelschnittstelle einer Vorrichtung zur Energiegewinnung bereitzustellen, wie sie beispielsweise anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist. Die Einrichtung 444 kann beispielsweise eine Spule zum Generieren des Eingangssignals 120 aufweisen. 4 shows a coupling device 102 according to an embodiment of the present invention. The coupling device 102 has a mass 440 on that over a spring 442 is mounted oscillatory. The crowd 440 can by in the vicinity of the coupling device 102 existing vibration energy to be vibrated. The crowd 440 is with a facility 444 for converting the mechanical vibration energy of the vibrating mass 440 coupled into electrical vibrational energy. The device 444 is formed to the electric vibrational energy, for example in the form of an input signal 120 to provide a coupling interface of a device for energy generation, as described for example with reference to the preceding figures. The device 444 For example, a coil can be used to generate the input signal 120 exhibit.

5 zeigt eine Koppeleinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Koppeleinrichtung 102 unterscheidet sich von der in 4 gezeigten Koppeleinrichtung 102 in der Ausführung der Einrichtung 444 zum Wandeln der mechanischen Schwingungsenergie der schwingenden Masse 440 in elektrische Schwingungsenergie. Die Einrichtung 444 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Kondensator zum Generieren des Eingangssignals 120 auf. 5 shows a coupling device 102 according to an embodiment of the present invention. The coupling device 102 is different from the one in 4 shown coupling device 102 in the execution of the device 444 for converting the mechanical vibration energy of the vibrating mass 440 in electrical vibrational energy. The device 444 according to this embodiment has a capacitor for generating the input signal 120 on.

6 zeigt eine Koppeleinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Koppeleinrichtung 102 unterscheidet sich von der in 4 gezeigten Koppeleinrichtung 102 in der Ausführung der Einrichtung 444 zum Wandeln der mechanischen Schwingungsenergie der schwingenden Masse 440 in elektrische Schwingungsenergie. Die Einrichtung 444 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Bauteil zum Generieren des Eingangssignals 120 auf. Dabei ist die Masse 440 über die Einrichtung 444 schwingfähig gelagert, sodass keine zusätzliche Feder erforderlich ist. 6 shows a coupling device 102 according to an embodiment of the present invention. The coupling device 102 is different from the one in 4 shown coupling device 102 in the execution of the device 444 for converting the mechanical vibration energy of the vibrating mass 440 in electrical vibrational energy. The device 444 has according to this embodiment, a piezoelectric component for generating the input signal 120 on. Here is the mass 440 about the device 444 mounted oscillatory, so no additional spring is required.

7 zeigt eine Darstellung eines Systemverhaltens einer Vorrichtung zur Energiegewinnung ohne durchgeführte Phasenverschiebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es handelt sich somit um ein Systemverhalten ohne Steuerung, d. h. beispielsweise in Bezug auf die 2 und 3, auf ein Systemverhalten der Vorrichtung 100 bei überbrückter oder deaktivierter Verschiebungseinrichtung. 7 shows a representation of a system behavior of a device for power generation without performing phase shift according to an embodiment of the present invention. It is therefore a system behavior without control, ie for example in relation to the 2 and 3 , on a system behavior of the device 100 with bridged or deactivated displacement device.

Gezeigt ist in dem oberen Diagramm ein Amplitudengang 751, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Amplitude aufgetragen ist. In dem unteren Diagramm ist ein Phasengang 753 gezeigt, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Phase aufgetragen ist. Es zu erkennen, das nur bei einem einzigen Frequenzwert des Frequenzspektrums des Eingangssignals der Vorrichtung zur Energiegewinnung eine Phasenverschiebung von –90° auftritt. Shown in the upper diagram is an amplitude response 751 , where on the abscissa the frequency and on the ordinate the amplitude is plotted. In the lower diagram is a phase response 753 shown, on the abscissa the frequency and on the ordinate the phase is plotted. It can be seen that only a single frequency value of the frequency spectrum of the input signal of the device for energy generation, a phase shift of -90 ° occurs.

8 zeigt eine Darstellung eines Reglerverhaltens einer Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise in Bezug auf die 2 und 3 kann es sich um ein Reglerverhalten der Verschiebungseinrichtungen handeln. 8th shows a representation of a controller behavior of a device for energy generation according to an embodiment of the present invention. For example, in relation to the 2 and 3 it may be a regulator behavior of the displacement devices.

Gezeigt ist in dem oberen Diagramm ein Amplitudengang 851, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Amplitude aufgetragen ist. In dem unteren Diagramm ist ein Phasengang 853 gezeigt, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Phase aufgetragen ist. Der Phasengang 853 entspricht dem invertierten und um –90° verschobenen Phasengang aus 7. Die durchgeführte Invertierung und Verschiebung ist dabei durch Pfeile angedeutet. Shown in the upper diagram is an amplitude response 851 , where on the abscissa the frequency and on the ordinate the amplitude is plotted. In the lower diagram is a phase response 853 shown, on the abscissa the frequency and on the ordinate the phase is plotted. The phase response 853 corresponds to the inverted one and shifted by -90 ° phase response 7 , The performed inversion and displacement is indicated by arrows.

9 zeigt eine Darstellung eines Systemverhaltens einer Vorrichtung zur Energiegewinnung mit durchgeführter Phasenverschiebung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es handelt sich somit um ein Systemverhalten mit Steuerung, d. h. beispielsweise in Bezug auf die 2 und 3, auf ein Systemverhalten der Vorrichtung 100 mit aktiver Verschiebungseinrichtung. Durch das in 9 gezeigte Systemverhalten kann die gewünschte Phasendifferenz oder Phasenverschiebung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal bewirkt werden. 9 FIG. 12 is an illustration of a system behavior of a phase shift energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. It is thus a system behavior with control, ie for example in relation to the 2 and 3 , on a system behavior of the device 100 with active displacement device. Through the in 9 shown system behavior, the desired phase difference or phase shift between the input signal and the output signal can be effected.

Gezeigt ist in dem oberen Diagramm ein Amplitudengang 951, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Amplitude aufgetragen ist. In dem unteren Diagramm ist ein Phasengang 953 gezeigt, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Phase aufgetragen ist. Es zu erkennen, das über das gesamte Frequenzspektrum des Eingangssignals der Vorrichtung zur Energiegewinnung durchgängig eine Phasenverschiebung von –90° auftritt. Shown in the upper diagram is an amplitude response 951 , where on the abscissa the frequency and on the ordinate the amplitude is plotted. In the lower diagram is a phase response 953 shown, on the abscissa the frequency and on the ordinate the phase is plotted. It can be seen that over the entire frequency spectrum of the input signal of the device for generating energy constantly a phase shift of -90 ° occurs.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Phasenverschiebung von annähernd –90° über ein relevantes Frequenzband 955 des Eingangsfrequenzspektrums oder über zwei oder mehr separate Frequenzbänder des Eingangsfrequenzspektrums auftreten. According to one embodiment, a phase shift of approximately -90 ° over a relevant frequency band 955 of the input frequency spectrum or over two or more separate frequency bands of the input frequency spectrum.

Der Phasengang 953 lässt sich durch Addition der in den 7 und 8 gezeigten Phasengänge ermitteln. The phase response 953 can be by adding the in the 7 and 8th determine the phase responses shown.

Der Amplitudengang 951 kann den in den 7 und 8 gezeigten Amplitudengängen entsprechen. The amplitude response 951 can the in the 7 and 8th correspond shown amplitude responses.

10 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist, wie anhand von 3 beschrieben, eine Koppelschnittstelle 110 zum Empfangen eines Eingangssignals 120, eine Verschiebungseinrichtung 230 zum Überlagern des Eingangssignals 120 mit einem Verschiebungssignal 340, einen Gleichrichter 1232, einen Aufwärtswandler 1233, einen Energiespeicher 114 und eine Ausgangsschnittstelle 116 auf. Ferner weist die Vorrichtung 100 eine Betätigungseinrichtung in Form eines Reglers 1230 auf. Der Regler 1230 ist ausgebildet, um einen Systemzustand der Vorrichtung 100 repräsentierende Signale 1500 über eine Schnittstelle zu einer Einrichtung zur Messung des Systemzustands zu empfangen und unter Verwendung der Signale 1500 die Verschiebungseinrichtung 230 so anzusteuern, dass von der Verschiebungseinrichtung 230 das Verschiebungssignal 340 derart bereitgestellt wird, dass sich durch eine Überlagerung des Verschiebungssignals 340 mit dem Eingangssignal 120 und optional durch eine nachgeschaltete Gleichrichtung und/oder Aufwärtswandlung ein Speichersignal generiert wird, das zumindest in einem relevanten Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums eine konstante Phasenverschiebung zu dem Eingangssignal 120 aufweist. Je nach Ausführungsbeispiel kann die Wandlereinrichtung 112 der Vorrichtung 100 neben dem Regler 1230 und der Verschiebungseinrichtung 230 optional zusätzlich den Gleichrichter 1232 und den Aufwärtswandler 1233 umfasen. Demnach kann das Speichersignal beispielsweise ein eingangseitig an dem Gleichrichter 1232 anliegendes Signal oder ein ausgangsseitig an dem Aufwärtswandler 1233 anliegendes Signal repräsentieren. 10 shows a representation of a device 100 for power generation according to an embodiment of the present invention. The device 100 indicates how based on 3 described, a coupling interface 110 for receiving an input signal 120 , a displacement device 230 for superimposing the input signal 120 with a shift signal 340 , a rectifier 1232 , an up-converter 1233 , an energy store 114 and an output interface 116 on. Furthermore, the device 100 an actuator in the form of a regulator 1230 on. The regulator 1230 is designed to be a system state of the device 100 representing signals 1500 via an interface to a device for measuring the state of the system and using the signals 1500 the displacement device 230 to control that of the displacement device 230 the displacement signal 340 is provided such that overlaying the displacement signal 340 with the input signal 120 and optionally by a downstream rectification and / or up-conversion, a memory signal is generated which, at least in a relevant frequency band of the input frequency spectrum, a constant phase shift to the input signal 120 having. Depending on the embodiment, the transducer device 112 the device 100 next to the regulator 1230 and the displacement device 230 optionally also the rectifier 1232 and the up-converter 1233 umfasen. Accordingly, the memory signal, for example, an input side to the rectifier 1232 applied signal or on the output side of the boost converter 1233 represent the applied signal.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 1232 als ein Brückengleichrichter mit vier Dioden ausgeführt. Zwei Eingangsanschlüsse des Gleichrichters 1232 sind mit den zwei Anschlüssen der Koppelschnittstelle 110 verbunden. Zwei Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters 1232 sind mit zwei Eingangsanschlüssen des Aufwärtswandlers 1233 verbunden. Der Aufwärtswandler 1233 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Boost-Wandler ausgeführt. Der Aufwärtswandler 1233 ist schematisch mit einer zwischen einem ersten Eingangsanschluss und einem ersten Ausgangsanschluss des Aufwärtswandlers 1233 geschalteten Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode dargestellt. Ein Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und der Diode ist über einen von dem Regler 1230 über eine Steuerleitung ansteuerbaren Schalter mit einer Verbindungsleitung zwischen einem zweiten Eingangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss des Aufwärtswandlers 1233 verbunden. Der erste Ausgangsanschluss des Aufwärtswandlers 1233 ist mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 114, hier beispielsweise einem Kondensator, verbunden. Der zweite Ausgangsanschluss des Aufwärtswandlers 1233 ist mit einem zweiten Anschluss der Ausgangsschnittstelle 116 verbunden. According to one embodiment, the rectifier is 1232 designed as a bridge rectifier with four diodes. Two input terminals of the rectifier 1232 are with the two connections of the coupling interface 110 connected. Two output terminals of the rectifier 1232 are with two input terminals of boost converter 1233 connected. The up-converter 1233 is designed according to this embodiment as a boost converter. The up-converter 1233 is schematically shown with one between a first input terminal and a first output terminal of the boost converter 1233 switched series connection of a resistor and a diode. A connection point between the resistor and the diode is via one of the regulator 1230 Switch controllable by a control line with a connection line between a second input terminal and a second output terminal of the up-converter 1233 connected. The first output terminal of the boost converter 1233 is with a first connection of the energy storage 114 , here for example a capacitor connected. The second output terminal of the boost converter 1233 is with a second connection of the output interface 116 connected.

Die Verschiebungseinrichtung 230 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Vollbrücke mit vier Schaltern 1601, 1602, 1063, 1604 ausgeführt. Der Regler 1230 ist ausgebildet, um die vier Schalter 1601, 1602, 1063, 1604 über Steuerleitungen anzusteuern. Ein erster Schalter 1601 der Vollbrückenschaltung ist zwischen dem ersten Anschluss des Energiespeichers 114 und einem ersten Anschluss der Koppelschnittstelle 110 geschaltet. Durch Schließen des ersten Schalters 1601 kann als Teil des Verschiebungssignals 340 Energie aus dem Energiespeicher 114 in den ersten Anschluss der Koppelschnittstelle 110 eingespeist werden. Ein zweiter Schalter 1602 der Vollbrückenschaltung ist zwischen dem ersten Anschluss des Energiespeichers 114 und einem zweiten Anschluss der Koppelschnittstelle 110 geschaltet. Durch Schließen des zweiten Schalters 1602 kann als Teil des Verschiebungssignals 340 Energie aus dem Energiespeicher 114 in den zweiten Anschluss der Koppelschnittstelle 110 eingespeist werden. Ein dritter Schalter 1603 der Vollbrückenschaltung ist zwischen dem ersten Anschluss der Koppelschnittstelle und einem zweiten Anschluss des Energiespeichers 114 sowie dem zweiten Anschluss der Ausgangsschnittstelle 116, und ein vierter Schalter 1604 der Vollbrückenschaltung ist zwischen dem zweiten Anschluss der Koppelschnittstelle und dem zweiten Anschluss des Energiespeichers 114 geschaltet. Durch ein zeitlich gesteuertes Schalten der Schalter 1601, 1602, 1063, 1604 kann beispielsweise der in 8 dargestellte Phasengang erzielt werden. The displacement device 230 is according to this embodiment as a full bridge with four switches 1601 . 1602 . 1063 . 1604 executed. The regulator 1230 is trained to switch the four 1601 . 1602 . 1063 . 1604 to control via control lines. A first switch 1601 the full bridge circuit is between the first terminal of the energy store 114 and a first port of the coupling interface 110 connected. By closing the first switch 1601 can as part of the shift signal 340 Energy from the energy storage 114 in the first port of the Coupling interface 110 be fed. A second switch 1602 the full bridge circuit is between the first terminal of the energy store 114 and a second terminal of the coupling interface 110 connected. By closing the second switch 1602 can as part of the shift signal 340 Energy from the energy storage 114 in the second connection of the coupling interface 110 be fed. A third switch 1603 the full-bridge circuit is between the first terminal of the coupling interface and a second terminal of the energy store 114 and the second port of the output interface 116 , and a fourth switch 1604 the full bridge circuit is between the second terminal of the coupling interface and the second terminal of the energy storage 114 connected. By a timed switching of the switches 1601 . 1602 . 1063 . 1604 For example, the in 8th shown phase response can be achieved.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es durch Regelung des Energieflusses über die Koppelschnittstelle 110, die eine energetische Koppelung an ein System ermöglicht, zwischen Koppelglied und Speicher 114 mithilfe einer Regelstrecke möglich, die Resonanzbedingung für den gesamten geregelten Frequenzbereich zu erfüllen und so die Koppelung an die Umgebung in diesem gesamten Bereich optimiert sicherzustellen. Die Regelstrecke kann dabei beispielsweise den in 3 gezeigten Regler 1230 umfassen. Die Regelstrecke kann anhand der Darstellungen der 7 bis 9 nachvollzogen werden. Solange die Energie-Entnahme aus der Umgebung klein gegenüber der gesamten in der Umgebung „zirkulierenden“ Energie ist, ist die Rückwirkung des Harvesters 100 auf das umgebende System klein und die Regelstrecke kann über ein lineares Filter realisiert werden. Der beschriebene Ansatz umfasst daher auch Systeme, bei denen die Rückwirkung oder Energie-Entnahme auf die Umgebung nicht vernachlässigt werden kann, sodass diese durch die Regelung adaptiv zu berücksichtigen ist. Designkriterium für ein entsprechendes Filter ist die Erzielung einer Phasenverzögerung nahe 90° zwischen Systemerregung und Systemreaktion, da diese Voraussetzung für einen maximalen Energieübertrag von der Umgebung auf das System im gewünschten, in der Regel möglichst breiten, Frequenzbereich ist. Für lineare Verhältnisse kann ein Allpassfilter dieses Verhalten für einen Harvester 100 gänzlich ohne Resonanzen im interessierenden Frequenzbereich erfüllen. According to one embodiment, it is by controlling the flow of energy through the coupling interface 110 , which allows an energetic coupling to a system between coupling link and memory 114 Using a controlled system, it is possible to fulfill the resonance condition for the entire regulated frequency range and thus to ensure optimized coupling to the environment in this entire area. The controlled system can, for example, the in 3 shown controller 1230 include. The controlled system can be based on the representations of the 7 to 9 be traced. As long as the energy extraction from the environment is small compared to the total "circulating" energy in the environment, the harvester's reaction is 100 small on the surrounding system and the controlled system can be realized via a linear filter. Therefore, the approach described also includes systems in which the reaction or energy removal can not be neglected on the environment, so that it is adaptively taken into account by the scheme. Design criterion for a corresponding filter is to achieve a phase delay near 90 ° between system excitation and system response, since this condition for a maximum energy transfer from the environment to the system in the desired, usually the broadest possible frequency range. For linear ratios, an allpass filter may do this for a harvester 100 completely without resonances in the frequency range of interest.

Für die Regelung ist es notwendig, einen Teil der der Umgebung entnommenen Energie zu speichern, beispielsweise in dem Energiespeicher 114, und diese zu geeigneten Zeitpunkten und in geeigneter Menge dem System wieder zu zuführen, beispielsweise über die Vollbrücke 230. Damit der Speicher 114 unabhängig vom aktuellen Füllstand weiter gefüllt und eine Rückwirkung auf das System in einem weiten Zustandsbereich möglich ist, wird diese Energie vor der Speicherung auf ein höheres Niveau gebracht. Elektrisch z.B. durch einen kapazitiven Spannungsverdoppler oder einen elektromagnetischen "Boost" Konverter 1233. Ähnliche Anordnungen gibt es auch für mechanische, pneumatische oder hydraulische Systeme durch Hebel, Getriebe, Druckübersetzer und ähnlich. Außerdem ist eine Gleichrichtung der Eingangsenergie notwendig, beispielsweise unter Verwendung des Gleichrichters 1232. Die Regelung des Reglers 1230 kann kontinuierlich (analog) oder diskontinuierlich, also geschaltet oder digital, erfolgen. Sie benötigt Informationen, beispielsweise durch eine Messung gewonnen, des aktuellen Systemzustands. Ein Ergebnis einer solchen Messung des Systemzustands kann über ein oder mehrere Signale 1500 dem Regler 1230 zugeführt werden. Damit die Anordnung als Harvester 100 arbeiten kann, ist eine Energieauskopplung notwendig, beispielsweise über die Ausgangsschnittstelle 116. Diese ist aber nicht notwendigerweise Bestandteil der Erfindung. Ohne die Energieauskopplung kann das System 100 als breitbandiger, optional einstellbarer, Dämpfer arbeiten. For the regulation, it is necessary to store part of the energy taken from the environment, for example in the energy store 114 , And these at appropriate times and in an appropriate amount to the system again, for example, over the full bridge 230 , So the memory 114 regardless of the current fill level, filling and re-acting on the system in a wide range of states is possible, this energy is brought to a higher level before storage. Electrically eg by a capacitive voltage doubler or an electromagnetic "Boost" converter 1233 , Similar arrangements are also available for mechanical, pneumatic or hydraulic systems by levers, transmissions, pressure booster and the like. In addition, a rectification of the input power is necessary, for example, using the rectifier 1232 , The regulation of the regulator 1230 can be continuous (analogue) or discontinuous, ie switched or digital. It requires information, for example obtained by a measurement, of the current system status. A result of such a system state measurement may be via one or more signals 1500 the controller 1230 be supplied. So that the arrangement as a harvester 100 can work, an energy extraction is necessary, for example via the output interface 116 , However, this is not necessarily part of the invention. Without the energy extraction, the system can 100 as broadband, optional adjustable, damper work.

11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energiegewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise im Zusammenhang mit Einrichtungen einer anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung zur Energiegewinnung ausgeführt werden. 11 shows a flowchart of a method for energy generation according to an embodiment of the present invention. The method can be carried out, for example, in connection with means of a device for generating energy described with reference to the preceding figures.

Das Verfahren umfasst einen Schritt 1901 des Empfangens eines Eingangssignals. Das Eingangssignal weist ein Eingangsfrequenzspektrum auf und repräsentiert von einem Koppelelement zum Aufnehmen von Umgebungsenergie aus der Umgebung der Vorrichtung bereitgestellte Schwingungsenergie. In einem Schritt 1903 wird das Eingangssignal in ein Speichersignal gewandelt. Das Speichersignal repräsentiert eine in einen Energiespeicher speicherbare Energie. Dabei wird das Eingangssignal so gewandelt, dass das Eingangssignal und das Speichersignal zumindest in einem Frequenzband des Eingangsfrequenzspektrums des Eingangssignals eine konstante Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Das Speichersignal oder ein aus dem Speichersignal generiertes, beispielsweise gleichgerichtetes oder aufwärtsgewandeltes Speichersignal, kann in einem Schritt 1905 an einer Speicherschnittstelle zu dem Energiespeicher bereitgestellt werden. Somit kann der Energiespeicher unter Verwendung der Energie des Eingangssignals mit Energie geladen werden. The method comprises a step 1901 receiving an input signal. The input signal has an input frequency spectrum and represents vibrational energy provided by a coupling element for receiving ambient energy from the environment of the device. In one step 1903 the input signal is converted into a memory signal. The memory signal represents a storable in an energy storage energy. In this case, the input signal is converted such that the input signal and the memory signal have a constant phase shift relative to one another at least in a frequency band of the input frequency spectrum of the input signal. The memory signal or a memory signal generated from the memory, for example, rectified or up-converted memory signal, can in one step 1905 be provided at a memory interface to the energy store. Thus, the energy storage can be charged using the energy of the input signal with energy.

Wie bereits ausgeführt, kann der beschriebene Ansatz prinzipiell für mechanische und elektromagnetische Koppler 102 funktionieren, d.h. alle, bei denen Umgebungs-Schwingungsenergie oder elektromagnetische Energie über einen Koppler 102 an einen elektronisch steuerbaren Energiespeicher 114 angebunden werden können. Prinzipiell ist die Anwendung auch auf stärker an die Umgebung gekoppelte Systeme denkbar. Dabei kann auch eine komplexere Regelstrecke eingesetzt werden. As already stated, the described approach can in principle be used for mechanical and electromagnetic couplers 102 work, ie all those where ambient vibration energy or electromagnetic energy through a coupler 102 to an electronically controllable energy storage 114 can be connected. In principle, the application is also conceivable for systems which are more strongly coupled to the environment. In this case, a more complex controlled system can be used.

Im Zusammenhang mit dem Energiespeicher 114 besteht die Möglichkeit, elektrische Energie durch einen Schaltregler 1233, beispielsweise „Buck Up", "Buck-Down", "Buck-Boost" und andere, effektiv auf unterschiedliches Niveaus, beispielsweise hinsichtlich Strom oder Spannung, zu transformieren. Dadurch lässt sich der Energiefluss zwischen den "Speichern" – äußerer Speicher aus Umgebung bzw. Koppler 102 und innerer Speicher 104 im Harvester 100 – auf einfache und Energieeffektive Weise realisieren. In connection with the energy storage 114 there is the possibility of electrical energy through a switching regulator 1233 For example, "buck-up", "buck-down", "buck-boost" and others effectively transform to different levels, such as current or voltage, thereby allowing the flow of energy between the "memories" - external memory from the environment or coupler 102 and inner store 104 in the harvester 100 - realize in a simple and energy-efficient way.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist. If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Vorrichtung zur Energiegewinnung Apparatus for generating energy
102 102: Koppelelement coupling element
104 104: elektrischer Verbraucher electrical consumer
112 112: Wandlereinrichtung transducer means
114 114: Energiespeicher energy storage
116 116: Ausgangsschnittstelle Output interface
120 120: Eingangssignal input
122 122: Speichersignal memory signal
125 125: Speicherschnittstelle Memory Interface
230 230: Verschiebungseinrichtung shifter
232 232: Einrichtung zum Gleichrichten und Aufwärtswandeln Device for rectifying and up-converting
340 340: Verschiebungssignal shift signal
440 440: Masse Dimensions
442 442: Feder feather
444 444: Einrichtung zum Wandeln von Schwingungsenergie Device for converting vibration energy
751 751: Amplitudengang amplitude response
753 753: Phasengang phase response
851 851: Amplitudengang amplitude response
853 853: Phasengang phase response
951 951: Amplitudengang amplitude response
953 953: Phasengang phase response
1230 1230: Regler regulator
1232 1232: Gleichrichter rectifier
1233 1233: Aufwärtswandler boost converter
1500 1500: Signal signal
1601 1601: erster Schalter first switch
1602 1602: zweiter Schalter second switch
1603 1603: dritter Schalter third switch
1604 1604: vierter Schalter fourth switch
19011901: Schritt des Empfangens Step of receiving
1903 1903: Schritt des Wandelns Step of walking
1905 1905: Schritt des Bereitstellens Step of providing

Claims

Contraption ( 100 ) for generating energy, characterized in that the device ( 100 ) comprises the following features: a coupling interface ( 110 ) for receiving an input signal ( 120 ) with an input frequency spectrum, the input signal ( 120 ) one of a coupling element ( 102 ) for recording ambient energy ( 106 ) from the environment of the device ( 100 ) represents provided vibrational energy; a converter device ( 112 ) for converting the input signal ( 120 ) into a memory signal ( 122 ), one in an energy storage ( 114 ) represents storable energy, wherein the input signal ( 120 ) and the memory signal ( 122 ) at least in one frequency band ( 555 ) of the input frequency spectrum an at least approximately constant phase shift ( 951 ) to each other; and a memory interface ( 125 ) for providing the memory signal ( 122 ) to the energy store ( 114 ).

Contraption ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the input signal ( 120 ) and the memory signal ( 122 ) in the at least one frequency band ( 555 ) of the input frequency spectrum an at least approximately constant phase shift ( 951 ) of a quarter period to each other.

Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency band ( 555 ) has a width of at least 1 kHz.

Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the converter device ( 112 ) for effecting the at least approximately constant one Phase shift ( 951 ) a phase shifting device ( 230 ) for causing the phase shift ( 951 ) a phase response ( 853 ) having an inverted and shifted by a predetermined phase phase phase response ( 753 ) of the converter device ( 112 ) with bridged phase shifting device ( 230 ) corresponds.

Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the phase shifting device ( 230 ) has a filter, in particular a linear filter or an all-pass filter.

Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 100 ) a series circuit of a rectifier ( 1232 ) and a boost converter ( 1233 ), wherein the series connection between the coupling interface ( 110 ) and the memory interface ( 125 ) is switched.

Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the converter device ( 112 ) for effecting the at least approximately constant phase shift ( 951 ) a phase shifting device ( 230 ), which is designed to use energy from the energy storage ( 114 ) a displacement signal ( 340 ) and the input signal ( 120 ) to superimpose.

Contraption ( 100 ) according to claim 7, characterized in that the phase shifting device ( 230 ) is adapted to the displacement signal ( 340 ) such that an actual phase response of the converter device ( 112 ) one the constant phase shift ( 951 ) causing desired phase response ( 953 ) of the converter device ( 112 ) is approximated.

Contraption ( 100 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the phase shifting device ( 230 ) is adapted to the displacement signal ( 340 ) so that an actual system state of the environment is approximated to a desired system state of the environment.

Contraption ( 100 ) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the phase shifting device ( 230 ) for generating the displacement signal ( 340 ) at least one switch ( 1601 . 1602 . 1603 . 1604 ) and an actuating device ( 1230 ) for actuating the at least one switch ( 1601 . 1602 . 1603 . 1604 ), wherein the at least one switch ( 1601 . 1602 . 1603 . 1604 ) between a connection of the energy store ( 114 ) and a connection of the coupling interface ( 110 ) is arranged.

Contraption ( 100 ) according to claim 10, characterized in that the phase shifting device ( 230 ) for generating the displacement signal ( 340 ) a full bridge circuit with four switches ( 1601 . 1602 . 1603 . 1604 ) and the actuating device ( 1230 ) to operate the four switches ( 1601 . 1602 . 1603 . 1604 ), wherein a first switch ( 1601 ) of the full bridge circuit between a first terminal of the energy store ( 114 ) and a first connection of the coupling interface ( 110 ), a second switch ( 1602 ) of the full bridge circuit between the first terminal of the energy store ( 114 ) and a second connection of the coupling interface ( 110 ), a third switch ( 1603 ) of the full bridge circuit between the first terminal of the coupling interface ( 110 ) and a second connection of the energy store ( 114 ), and a fourth switch ( 1604 ) of the full bridge circuit between the second terminal of the coupling interface ( 110 ) and the second connection of the energy store ( 114 ) is switched.

Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 100 ) the coupling element ( 102 ), which with the coupling interface ( 110 ), wherein the coupling element ( 102 ) an oscillatory mass 440 ) for recording mechanical ambient energy ( 106 ) from the environment of the device ( 100 ) and a facility ( 444 ) for converting the mechanical vibration energy into electrical vibration energy for providing at the coupling interface ( 110 ) having.

Contraption ( 100 ) according to one of claims 1 to 11, characterized in that the device ( 100 ) the coupling element ( 102 ), which with the coupling interface ( 110 ), wherein the coupling element ( 102 ) is adapted to ambient electromagnetic energy ( 106 ) from the environment and as electrical vibrational energy at the coupling interface ( 110 ).

Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 100 ) the energy store ( 114 ) connected to the memory interface ( 125 ) connected is.

A method for generating energy, characterized in that the method comprises the following steps: receiving ( 1901 ) of an input signal ( 120 ) with an input frequency spectrum, the input signal ( 120 ) one of a coupling element ( 102 ) for recording ambient energy ( 106 ) from the environment of the device ( 100 ) represents provided vibrational energy; Convert ( 1903 ) of the input signal ( 120 ) into a memory signal ( 122 ), one in an energy storage ( 114 ) represents storable energy, wherein the input signal ( 120 ) and the memory signal ( 122 ) at least in one frequency band ( 555 ) of the input frequency spectrum an at least approximately constant phase shift ( 951 ) to each other; and deploy ( 1905 ) of the memory signal ( 122 ) on a memory interface ( 125 ) to the energy store ( 114 ).