DE102021211372A1

DE102021211372A1 - System für eine Schuhsohle, Verfahren zum Betreiben des Systems, eine Schuhsohle, und ein Schuh

Info

Publication number: DE102021211372A1
Application number: DE102021211372.9A
Authority: DE
Inventors: Ulf Jensen; Burkhard Dümler; Peter Spies; Henrik ZESSIN; Lars Lühmann; Vesa-Pekka Torvinen
Original assignee: Adidas AG
Current assignee: Adidas AG
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2023-04-13
Also published as: US20230112248A1; CN115944136A; JP2023058450A; EP4162832A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System für eine Schuhsohle mit zumindest einem piezoelektrischen Element zur Erzeugung elektrischer Energie. In einer Ausführungsform umfasst ein System für eine Schuhsohle (a.) mindestens ein Piezoelement, das angepasst ist, um bei einer mechanischen Deformation des mindestens einen Piezoelements ein elektrisches Signal zu erzeugen, (b.) mindestens einen ersten Energiespeicher und mindestens einen zweiten Energiespeicher, wobei der mindestens eine erste Energiespeicher und der mindestens eine zweite Energiespeicher angepasst sind, um aus dem elektrischen Signal erhaltene elektrische Energie zu speichern, und (c.) mindestens eine Wandlereinheit, die angepasst ist, um eine Übertragung einer Menge an elektrischer Energie zwischen dem mindestens einen ersten Energiespeicher und dem mindestens einen zweiten Energiespeicher selektiv zu steuern.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für eine Schuhsohle mit zumindest einem piezoelektrischen Element zur Erzeugung elektrischer Energie.
2. Stand der Technik
Sport ist ein fester Bestandteil des täglichen Lebens. Die Menschen gehen zum Beispiel laufen, um ihre Fitness zu verbessern und Stress abzubauen. Zu diesem Zweck sind verschiedene digitale Ansätze bekannt, um Daten von den Sportlern zu erhalten, wie z. B. die Anzahl der Schritte, die zurückgelegte Strecke, die Trittfrequenz, das Tempo, die Geschwindigkeit und so weiter. In dieser Hinsicht gibt es viele Systeme zur Überwachung der sportlichen Leistung während oder nach dem Training, vorzugsweise unter Verwendung integrierter Sensoren an der Person oder der Sportbekleidung, z. B. den Schuhen, wie GPS-Sensoren und / oder Bewegungssensoren. Während oder nach dem Training können die gemessenen Parameter dann an ein Überwachungsgerät wie z. B. ein Smartphone übertragen werden. Darüber hinaus können Sportbekleidung oder Sportartikel wie z. B. Sportschuhe auch andere elektronische Vorrichtungen enthalten, wie z. B. Beleuchtung, Stromversorgung von Aktoren, Temperaturregelung, Sicherheitsfunktionen, Anpassung von Eigenschaften und ähnliches.
Diese Sensoren und elektronischen Geräte benötigen in der Regel Energiequellen wie eine Batterie. Wenn die Energiequellen leer werden und ersetzt werden müssen, können wichtige Daten verloren gehen oder die entsprechenden Geräte funktionieren nicht mehr.
Ein Beispiel für andere Sensoren oder elektronische Geräte sind piezoelektrische Elemente, die während der sportlichen Leistung elektrische Energie erzeugen oder aufnehmen, die dann gespeichert oder für den Betrieb der jeweiligen Sensoren und des Gesamtsystems verwendet werden kann.
Die Anmelderin hat in EP 3 235 395 A1 ein System für eine Schuhsohle mit mindestens einem Modul offenbart, wobei das Modul mindestens ein piezoelektrisches Element umfasst, das angepasst ist, um ein elektrisches Signal bei mechanischer Deformation des mindestens einen Piezoelements zu erzeugen. Das elektrische Signal ist angepasst, um als Signal für die Ableitung mindestens eines Bewegungsparameters der Schuhsohle verwendet zu werden. Das System umfasst zumindest einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher, wobei zumindest der erste und der zweite Energiespeicher angepasst sind, um aus dem elektrischen Signal erhaltene elektrische Energie zu speichern, und der zweite Energiespeicher erst geladen wird, nachdem der erste Energiespeicher einen ersten Energieschwellenwert erreicht hat.
Weiterer Stand der Technik ist offenbart in US 2013/0028368 A1 , US 2014/0088917 A1 , und „In-sole Pedometer With Piezoelectric Energy Harvester and 2V Organic Circuits“ von Ishida et al.
Ein gemeinsamer Nachteil des Standes der Technik ist jedoch, dass die bekannten Systeme von vorab gespeicherten Eingangsspannungen abhängen, die bestimmten mechanischen Deformationen des Schuhs entsprechen. Wenn beispielsweise zwei unterschiedlich schwere Sportler mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf unterschiedlichen Untergründen laufen, werden unterschiedliche Eingangsspannungen für die piezoelektrischen Elemente erzeugt, so dass das System möglicherweise nicht mehr oder nicht effizient funktioniert.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Schuhsohle mit piezoelektrischen Elementen zur Gewinnung von elektrischer Energie bereitzustellen.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Lehren der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
In einer Ausführungsform umfasst ein System für eine Schuhsohle (a.) zumindest ein Piezoelement, das angepasst ist zum Erzeugen eines elektrischen Signals bei mechanischer Deformation des zumindest einen Piezoelements, (b.) zumindest einen ersten Energiespeicher und zumindest einen zweiten Energiespeicher, wobei der zumindest eine erste Energiespeicher und der zumindest eine zweite Energiespeicher angepasst sind zum Speichern von elektrischer Energie, erhalten aus dem elektrischen Signal, und (c.) zumindest eine Wandlereinheit, die angepasst ist zum selektiven Steuern einer Übertragung einer Menge von elektrischer Energie zwischen dem zumindest einen ersten Energiespeicher und dem zumindest einen zweiten Energiespeicher.
Während die Systeme des Standes der Technik auf die spezifische(n) Eingangsspannung(en) der piezoelektrischen Elemente in der Schuhsohle beschränkt sind, verfolgt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Ansatz, indem sie zumindest eine Wandlereinheit bereitstellt, die den Effekt der elektrischen Energieumwandlung nutzt. Dieser Prozess beinhaltet die Umwandlung (oder Transformation) von elektrischer Energie von einer Form in eine andere, wie z. B. eine Änderung der Spannung. Zu diesem Zweck ermöglicht die zumindest eine Wandlereinheit eine selektive Steuerung der an den ersten Energiespeicher (z. B. die Kapazität) angelegten Spannungsänderung, so dass unterschiedliche Mengen an elektrischer Energie, die durch die mechanische Deformation des Piezoelements erzeugt werden, auf den zweiten Energiespeicher übertragen werden können. Auf diese Weise kann ein verbessertes System bereitgestellt werden, das sich an unterschiedliche Eingangsspannungen des Piezoelements und die von seinen Komponenten wie Sensoren oder elektronischen Geräten verbrauchte Energiemenge anpassen lässt. Daher kann das gesamte System durch die angepasste Übertragung von Spannungen effizienter arbeiten.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Spannung“, „Energie“, „Leistung“, „Ladung“ und „Strom“, wie sie in der vorliegenden Anwendung verwendet werden, mit den bekannten Gleichungen für Kapazität, elektrische Energie und Leistung in elektrischen Schaltkreisen verbunden werden können: C=Q/V, wobei C die Kapazität, Q die Ladung und V die Spannung ist; W=0,5*C*V², wobei W die elektrische Energie, C die Kapazität und V die Spannung ist; und P=V*I, wobei P die elektrische Leistung, V die Spannung und I der Strom ist.
Darüber hinaus sind die Begriffe „piezo“ und „piezoelektrisch“, wie sie in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, austauschbar. Dasselbe gilt für die Begriffe „elektro“ und „elektrisch“. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Steuerung der Übertragung einer Menge elektrischer Energie durch die zumindest eine Wandlereinheit so selektiv erfolgt, dass sie einer Art regelmäßigem (oder berechenbarem) Muster mit einer gewissen Periodizität folgt. Ein einfaches (unregelmäßiges) Ein- und Ausschalten der zumindest einen Wandlereinheit durch einen Menschen sollte sich nicht auf die selektive Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen.
Die mindestens eine Wandlereinheit kann angepasst sein zum selektiven Steuern der Übertragung einer Menge elektrischer Energie zumindest teilweise basierend auf einer Schaltfrequenz. Die Schaltfrequenz kann einem Wechsel zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand der mindestens einen Wandlereinheit entsprechen. Auf diese Weise haben die Erfinder herausgefunden, dass die selektive Steuerung durch die Wandlereinheit optimiert werden kann, da durch die Nutzung von Oszillationen zwischen einem Lade- und einem Entladezustand der Wandlereinheit mit einer bestimmten Schaltfrequenz die zu übertragende elektrische Ladungsmenge (und damit die elektrische Energiemenge) gezielt gesteuert werden kann. So kann beispielsweise bei einer höheren Schaltfrequenz mehr Ladung in der gleichen Zeit übertragen werden, weil der Ladezustand häufiger auftritt.
Die Schaltfrequenz kann zumindest teilweise auf dem elektrischen Signal des mindestens einen Piezoelements und/oder einer vom System verwendeten Gesamtleistung basieren. Diese Ausführungsform ermöglicht ferner eine bessere Steuerung der Übertragung elektrischer Energie zwischen den beiden Energiespeichern. Daher kann eine bessere Anpassungsfähigkeit zwischen verschiedenen Eingangsspannungen und der benötigten Leistung für das System bereitgestellt werden. Wenn in einem Beispiel zwei Kondensatoren als erste und zweite Energiespeicher verwendet werden, können die Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren wie folgt sein: Der erste Kondensator kann eine Kapazität im Bereich von 15 bis 30 µF haben und der zweite Kondensator kann eine Kapazität im Bereich von 100 bis 150 µF haben, so dass die erforderliche optimierte Menge an elektrischer Energie für Teile des Systems, die in Betrieb sind, bestimmt werden kann.
Das System kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die angepasst ist zur Berechnung der Schaltfrequenz. Bei der Steuereinheit kann es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller, eine programmierbare Logik, eine integrierte Schaltung oder ein anderes geeignetes elektrisches Bauteil handeln, das Teil des Systems ist und die Berechnung oder Bestimmung der optimalen Schaltfrequenz in Abhängigkeit von der durch das Piezoelement erzeugten Eingangsspannung und der vom System verwendeten Leistung ermöglicht. Alternativ können auch andere Steuerungen für die Fernübertragung verwendet werden (z. B. Bluetooth Low Energy (BTLE), Bluetooth, Bluetooth Smart, IrDA, Near Field Communication (NFC), Mobilfunknetz, ZigBee, Wifi oder andere Steuerungen, die geeignete Standards verwenden), die es ermöglichen, die optimale Schaltfrequenz in Abhängigkeit von der vom Piezoelement erzeugten Eingangsspannung und der vom System verwendeten Leistung zu berechnen.
Der Ladezustand kann eine Dauer im Bereich von 20 bis 180 ns, vorzugsweise 50 bis 150 ns, noch bevorzugter 80 bis 120 ns, am meisten bevorzugt etwa 100 ns oder 200 bis 400 ns, vorzugsweise 250 bis 350 ns, noch bevorzugter 275 bis 325 ns oder 225 bis 275 ns, am meisten bevorzugt etwa 300 ns aufweisen. Diese Dauern können als Pulsdauern der Ladezeit während des Ladezustands der zumindest einen Wandlereinheit angesehen werden. Zusammen mit der Schaltfrequenz (entsprechend der Anzahl dieser Pulse) kann die Gesamtmenge der zu übertragenden elektrischen Energie bestimmt werden. Es hat sich gezeigt, dass diese Zahlen für die Dauer einen vernünftigen Kompromiss zwischen der ausreichenden Menge an elektrischer Energie, die während des Ladezustands übertragen werden muss, und dem zuverlässigen Betrieb des gesamten Systems darstellen. In diesem Zusammenhang und auch im Folgenden bezieht sich der Begriff „etwa“ auf typische Messtoleranzen auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung.
Die zumindest eine Wandlereinheit kann einen aktiven Modus und einen nicht-aktiven Modus aufweisen, wobei ein Übergang zwischen dem aktiven Modus und dem nicht-aktiven Modus zumindest teilweise auf einem unteren Schwellenwert und/oder einem oberen Schwellenwert für die an dem zumindest einen ersten Energiespeicher gemessene elektrische Energie basieren kann und wobei die selektive Steuerung der zumindest einen Wandlereinheit nur im aktiven Modus bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise kann ein unnötiger Energieverbrauch der Wandlereinheit vermieden werden. Es ermöglicht, dass die Wandlereinheit ihre selektive Steuerung nur dann startet, wenn genügend elektrische Energie in den Energiespeichern bereitgestellt wird und die überschüssige Energie, die vom Piezoelement bereitgestellt wird, übertragen und gespeichert werden kann.
Die zumindest eine Wandlereinheit kann ein Sperrwandler sein, der eine mit dem mindestens einen ersten Energiespeicher verbundene primäre Transformatorseite und eine mit dem mindestens einen zweiten Energiespeicher verbundene sekundäre Transformatorseite aufweist. Die elektrische Energie kann im Ladezustand von dem mindestens einen ersten Energiespeicher an die mindestens eine Wandlereinheit übertragen werden und im Entladezustand wird die elektrische Energie von der mindestens einen Wandlereinheit an den mindestens einen zweiten Energiespeicher übertragen.
Ein Sperrwandler kann als Transformator für die Gleichstromumwandlung, d. h. die DC/DC-Wandlung, mit galvanischer Trennung zwischen dem Eingang und den Ausgängen verwendet werden. Dadurch kann die Umwandlung oder Änderung der Spannung auf sichere und zuverlässige Weise bereitgestellt werden. Außerdem lässt sich dieses elektrische Bauteil leicht an die gewünschte Schaltfrequenz und deren Berechnung anpassen. Befindet sich der Sperrwandler beispielsweise im Ladezustand, wird während der Dauer des Ladezustandes elektrische Energie aus dem ersten Energiespeicher (z.B. Eingangskondensator) auf die Primärseite des Transformators geladen. Sobald der Sperrwandler in den Entladezustand übergeht, wird die elektrische Energie von der Primärseite des Transformators in die sekundäre Transformatorseite des Sperrwandlers und damit in den zweiten Energiespeicher (z. B. Ausgangskondensator) übertragen.
Die zumindest eine Wandlereinheit kann einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter umfassen, der angepasst ist zum Schalten der zumindest einen Wandlereinheit zwischen dem Ladezustand und dem Entladezustand. Dieses Bauteil kann bestimmte Vorteile bereitstellen: ein höherer Wirkungsgrad bei Betrieb mit niedrigeren Spannungen, das Fehlen eines Gatestroms führt zu einer hohen Eingangsimpedanz, die hohe Schaltfrequenzen erzeugt, und es arbeitet mit geringerer elektrischer Leistung und zieht keinen Strom (oder Ladung).
Das System kann ferner eine Leistungsverwaltungseinheit umfassen, die angepasst ist, ein Steuersignal zu erzeugen, um die mindestens eine Wandlereinheit zwischen dem Ladezustand und dem Entladezustand umzuschalten. Eine solche Komponente kann die genannte Steuereinheit zuverlässig steuern oder anweisen zur weiteren Steuerung des Schaltens der Wandlereinheit.
Das System kann ferner mindestens einen dritten Energiespeicher umfassen, der angepasst ist zum Speichern von elektrischer Energie, die aus dem elektrischen Signal erhalten wird, und zum Bereitstellen von elektrischer Energie an den mindestens einen zweiten Energiespeicher, wenn das elektrische Signal von dem mindestens einen Piezoelement unter einen Piezo-Schwellenwert elektrischer Energie fällt.
Die Kapazität des dritten Energiespeichers kann größer sein als die des ersten und zweiten Energiespeichers, so dass, wenn der Sportler für einen Moment oder sogar nach der Aktivität eine Pause einlegen muss, Daten vom System auf ein externes und entferntes Gerät, wie ein Smartphone, eine Smartwatch, einen Tablet-Computer, einen PC oder ein anderes Gerät, übertragen werden können. Dies ist vorteilhaft, weil sichergestellt werden kann, dass die Zeit, die für die Vorbereitung des Systems benötigt wird, durch die Verwendung des ersten Energiespeichers reduziert werden kann, ohne das Risiko einzugehen, dass die elektrische Energie in der Zwischenzeit für andere, weniger notwendige Aspekte wie die Datenübertragung an ein entferntes Gerät, den Betrieb von LEDs usw. verwendet wurde. Daher ist es besser, separat steuerbare Energiespeicher zu haben (z. B. wenn das elektrische Signal des mindestens einen Piezo-Elements unter den Piezo-Schwellenwert der elektrischen Energie fällt). Die Art des dritten Kondensators kann ein Superkondensator, eine Dünnschicht-Lithiumbatterie oder ähnliches sein. Der Leckstrom im dritten Energiespeicher sollte so gering wie möglich sein, um die Ladung mehrere Stunden/Tage zu halten. Dies kann z.B. durch eine geeignete Auswahl des ersten und zweiten Speichers, z.B. der Kondensatoren, erreicht werden. Einige Kondensatoren können zum Beispiel eine geringere Leckage aufweisen als andere Kondensatoren. In einem Beispiel kann der dritte Energiespeicher auch in der Fabrik während des Herstellungsprozesses aufgeladen werden. Alternativ oder zusätzlich kann er aber auch während der Nutzung aufgeladen werden. In einem Beispiel wird der dritte Energiespeicher erst geladen, nachdem der zweite Energiespeicher einen Spannungsschwellenwert erreicht hat.
Das System kann ferner mindestens eine Regulatoreinheit, vorzugsweise einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET)-Regulator, umfassen, der angepasst ist zum Schalten zwischen einem Regulierungsmodus und einem Nicht-Regulierungsmodus der mindestens einen Regulatoreinheit, basierend zumindest teilweise auf einem Regulierungsschwellenwert der elektrischen Energie. Darüber hinaus kann der Regulierungsmodus bewirken, dass der mindestens eine zweite Energiespeicher in einem regulierten Spannungsbereich zwischen 1,0 bis 4,0 V, vorzugsweise 1,5 bis 3,5 V, besonders bevorzugt 2,0 bis 3,0 V oder 2,0 bis 5,5 V oder 3,0 bis 4,2 V verbleibt, so dass sich elektrische Energie in dem mindestens einen ersten Energiespeicher ansammelt und/oder vorzugsweise die Steuereinheit und die Leistungsverwaltungseinheit in diesem regulierten Spannungsbereich arbeiten. Auf diese Weise kann durch den regulierten Betrieb eine bessere Energieversorgung des Gesamtsystems und eine verbesserte Steuerung der Wandlereinheit bereitgestellt werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die angegebenen Zahlen zur Optimierung dieses Modus dienen.
Insbesondere kann ein JFET nützlich sein, weil er eine hohe Eingangsimpedanz hat, auf kleiner Fläche hergestellt wird, weniger Rauschen in der elektrischen Schaltung aufweist, einen niedrigen Stromverbrauch hat und einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, so dass eine höhere Temperaturstabilität bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus kann ein JFET auch beim Start des Systems von leeren Energiespeichern oder nach einer vollständigen Abschaltung hilfreich sein, da die Leistungsverwaltungseinheit keine Spannung hat, so dass der zweite Energiespeicher durch den J-FET geladen werden kann, und sobald die Leistungsverwaltungseinheit eingeschaltet ist, kann der J-FET abgeschaltet werden, so dass die effizientere Wandlereinheit übernehmen und die Energie vom ersten zum zweiten Energiespeicher übertragen kann.
Das System kann zumindest eine Komparatoreinheit umfassen, die angepasst ist zum Messen des Regulierungsschwellenwerts elektrischer Energie. Auf diese Weise kann durch diese weitere Komponente ein stabilerer Betrieb des erwähnten Regulierungsmodus bereitgestellt werden.
Darüber hinaus kann das Modul zumindest eine Gleichrichtereinheit umfassen, die angepasst ist zum Umwandeln des elektrischen Signals. Das elektrische (Strom-)Signal des piezoelektrischen Elements ist ein Wechselstrom (AC) aufgrund unterschiedlicher mechanischer Deformationen (z. B. wird das piezoelektrische Element mechanisch belastet und entlastet). Die Gleichrichtereinheit kann den Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandeln, der dann den Energiespeichern bereitgestellt wird. Folglich ermöglicht die Gleichrichtereinheit eine bessere Nutzung des elektrischen Stroms (und damit der elektrischen Energie) aus dem piezoelektrischen Element für verschiedene mechanische Deformationen.
Das System kann ferner zumindest eine der folgenden Komponenten umfassen: eine Signalverarbeitungseinheit, eine erste Komparatoreinheit, eine zweite Komparatoreinheit, eine erste Schalteinheit, eine zweite Schalteinheit, eine dritte Schalteinheit oder eine Batterieeinheit. Darüber hinaus kann das System zumindest eine der folgenden Anordnungen umfassen: das mindestens eine Piezoelement ist mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden; die mindestens eine Gleichrichtereinheit ist zwischen das mindestens eine Piezoelement und den mindestens einen ersten Energiespeicher verbunden; der mindestens eine erste Energiespeicher ist mit mindestens einer der folgenden Einheiten verbunden: der mindestens einen Regulatoreinheit, der mindestens einen Wandlereinheit oder der Leistungsverwaltungseinheit; die mindestens eine Regulatoreinheit ist zwischen dem mindestens einen ersten Energiespeicher und dem mindestens einen zweiten Energiespeicher verbunden und mit der ersten Komparatoreinheit verbunden; die mindestens eine Wandlereinheit ist mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Energiespeicher, dem mindestens einen zweiten Energiespeicher oder der Leistungsverwaltungseinheit verbunden; der mindestens eine zweite Energiespeicher ist mit mindestens einem des mindestens einen dritten Energiespeichers verbunden, vorzugsweise über die erste Schalteinheit, die erste Komparatoreinheit oder die zweite Komparatoreinheit; die erste Komparatoreinheit ist mit der ersten Schalteinheit verbunden; der mindestens eine dritte Energiespeicher ist zumindest über die zweite Schalteinheit mit der Batterieeinheit, vorzugsweise mit der zweiten Schalteinheit, der Steuereinheit, vorzugsweise mit der dritten Schalteinheit, und der Leistungsverwaltungseinheit verbunden; die Steuereinheit ist mit der Leistungsverwaltungseinheit verbunden; und die Leistungsverwaltungseinheit ist zumindest mit der Signalverarbeitungseinheit, der zweiten Schalteinheit oder der dritten Schalteinheit verbunden. Alle diese Ausführungsformen folgen dem Gedanken der Optimierung der Energiespeicherung und des Energieverbrauchs des erfindungsgemäßen Gesamtsystems.
Das System kann in eine Kavität einer Innensohle, einer Zwischensohle oder einer Außensohle eines Schuhs integriert sein. Dabei können ein oder mehrere Teile des Systems in verschiedene Teile des Schuhs oder der Schuhsohle integriert werden, je nach Verwendung, Kontext oder Sportart des Sportlers (z. B. Trailrunning oder Fußball), so dass ein zuverlässiger Betrieb des Systems erhalten werden kann. Ein Laufschuh hat beispielsweise eine dickere Zwischensohle, so dass mehr Platz für die Integration des Systems vorhanden ist, während ein Fußballschuh keine Zwischensohle hat, so dass das System (oder Teile davon) in die Innensohle und/oder die Außensohle integriert werden muss.
Zumindest zwei Piezoelemente können in einem Fersenbereich und/oder einem Vorderfußbereich der Schuhsohle angeordnet sein. Während des Gebrauchs des Schuhs bzw. der Schuhsohle kann es an einigen Stellen der Schuhsohle zu stärkeren mechanischen Deformationen kommen, wie z. B. (vertikaler) Druck auf die Schuhsohle oder Durchbiegung der Schuhsohle. Zum Beispiel kann der Fersenbereich und/oder der Vorfußbereich einem höheren Druck ausgesetzt sein als der Mittelfußbereich. Außerdem kann der Vorfußbereich einer stärkeren Biegung ausgesetzt sein als andere Bereiche der Schuhsohle. Auf diese Weise kann der Bereich mit dem höchsten Druck oder der stärksten Biegung von der jeweiligen Aktivität abhängen, z. B. kann es einen Unterschied machen, ob der Träger Fußball spielt und lange Sprints benötigt oder Basketball spielt und schnelle seitliche Bewegungen erfordert. Durch die Platzierung mehrerer Piezoelemente in bestimmten Bereichen der Schuhsohle und die Berücksichtigung dieser Aspekte kann daher eine verbesserte Energieeffizienz des Gesamtsystems erhalten werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Schuhsohle, die eine der genannten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Systems umfasst. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Schuh, insbesondere einen Sportschuh, der diese Schuhsohle umfasst. Auch hier treffen die gleichen Vorteile zu, wie sie für das System genannt wurden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben des oben genannten Systems, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a.) Erzeugen des elektrischen Signals bei mechanischer Deformation des mindestens einen Piezoelementes, und (b.) selektives Steuern der Übertragung einer Menge von elektrischer Energie zwischen dem zumindest einen ersten Energiespeicher und dem zumindest einen zweiten Energiespeicher. Der Schritt des selektiven Steuerns kann zumindest das Schalten der zumindest einen Wandlereinheit zwischen dem Ladezustand und dem Entladezustand unter Verwendung der Schaltfrequenz umfassen, wobei die elektrische Energie im Ladezustand von dem zumindest einen ersten Energiespeicher zu der zumindest einen Wandlereinheit übertragen wird und die elektrische Energie im Entladezustand von der zumindest einen Wandlereinheit zu dem zumindest einen zweiten Energiespeicher übertragen wird. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Berechnens der Schaltfrequenz umfassen. Das Verfahren kann ferner den Schritt des Schaltens des Systems zwischen dem aktiven Modus und dem nicht-aktiven Modus und/oder zwischen dem Regulierungsmodus und dem Nicht-Regulierungsmodus umfassen. Auch hier gelten die gleichen Vorteile wie für das System genannt.
Figurenliste
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.

1: zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Systems für eine Schuhsohle gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2A und 2B: illustrieren die Schaltung und den Betrieb einer Wandlereinheit in einem System für eine Schuhsohle gemäß der vorliegenden Erfindung.

5. Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben, wobei insbesondere ein System für eine Schuhsohle beschrieben wird, das zumindest ein piezoelektrisches Element und weitere elektronische Komponenten, wie Energiespeicher und zumindest eine Wandlereinheit umfasst. Das Konzept der vorliegenden Erfindung kann jedoch in gleicher oder ähnlicher Weise auch auf andere Teile des Schuhs angewendet werden, um aus der mechanischen Deformation der piezoelektrischen Elemente elektrische Energie zu erzeugen und zu speichern, wie z.B. das Schuhoberteil. Darüber hinaus kann dieses Konzept auch identisch oder ähnlich auf alle Sportgeräte oder funktionelle Sportbekleidung mit ausreichender mechanischer Deformation für Piezoelektrik angewendet werden, wie beispielsweise ein Ball, z.B. für Fußball, Rugby, American Football, Basketball, Baseball usw., oder wie Hemden, Kleider, Socken, Unterwäsche, oder für ein Sportgerät wie Tennisschläger, Golfschläger, Baseballschläger, Badmintonschläger, Kricketschläger, Eishockeyschläger, Hockeyschläger, Schlittschuhkufen, Schlittenaufsätze, Sprungaufsätze, Aufsätze mit Rädern, Aufsätze mit Federn, flossenähnliche Aufsätze, Aufsätze, die das Schweben, Fliegen ermöglichen, Squashschläger, Tischtennisschläger, Boxhandschuhe, Ski, Snowboard, Kite, und dergleichen.
Es versteht sich, dass diese beispielhaften Ausführungsformen in vielfältiger Weise modifiziert und miteinander kombiniert werden können, wenn sie miteinander vereinbar sind, und dass bestimmte Merkmale weggelassen werden können, soweit sie entbehrlich erscheinen.
Es sollte beachtet werden, dass die Begriffe „Spannung“, „Energie“, „Leistung“, „Ladung“ und „Strom“, wie sie in der vorliegenden Anwendung verwendet werden, durch die bekannten Gleichungen für die Kapazität, die elektrische Energie und die Leistung in elektrischen Schaltungen verbunden werden können: C=Q/V, wobei C die Kapazität, Q die Ladung und V die Spannung ist; W=0,5*C*V², wobei W die elektrische Energie, C die Kapazität und V die Spannung ist; und P=V*I, wobei P die elektrische Leistung, V die Spannung und I der Strom ist.
Darüber hinaus können die Begriffe „Piezo“ und „piezoelektrisch“, wie sie in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, austauschbar sein. Dasselbe gilt für die Begriffe „elektro" und „elektrisch“.
1 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Systems 100 für eine Schuhsohle, umfassend ein Piezoelement 105 (z.B. einen Piezogenerator) gemäß der Erfindung. Nachfolgend wird die Funktionsweise des Systems 100 näher beschrieben.
Zu Beginn ist das System 100 ohne Ladung/Strom/Spannung, es ist keine elektrische Energie gespeichert und Einheiten (oder elektrische Komponenten), die elektrische Energie benötigen, sind auf AUS gestellt.
Wie zuvor beschrieben, erzeugt das Piezoelement 105 (z. B. ein Piezogenerator) ein elektrisches Signal oder einen Strom als Ergebnis einer mechanischen Deformation. Es wird darauf hingewiesen, dass auch andere Arten von Elementen, die in der Lage sind, aus mechanischer Belastung elektrischen Strom zu erzeugen, zur Umsetzung der Erfindung verwendet werden können.
Informationen über den erzeugten elektrischen Strom (oder die Eingangsspannung) am Piezoelement 105 werden von der Signalverarbeitungseinheit 107 erhalten und können später der Leistungsverwaltungseinheit 110 (z. B. einer Steuerlogik) bereitgestellt werden.
Der elektrische Strom vom Piezoelement 105 wird dann zur Gleichrichtereinheit 112 geleitet, die das Wechselstromsignal (AC) des Piezoelements 105 in ein Gleichstromsignal (DC) umwandelt.
Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Sensoren in Verbindung mit dem System 100 verwendet werden können. So kann beispielsweise jeder beliebige oder eine Kombination aus einem Beschleunigungsmesser, einem Gyroskop, einem Magnetometer, einem Drucksensor und einem Positionssensor mit dem System 100 verwendet werden. In einem Beispiel können diese Sensoren von der Leistungsverwaltungseinheit 110 gesteuert werden, die an die Steuerung des übrigen Systems 100 angepasst ist, und die Sensoren können die für ihren Betrieb erforderliche elektrische Energie aus den hier beschriebenen Energiespeichern erhalten. So kann ein autarkes System 100 mit einem oder mehreren Sensoren (z.B. Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer und/oder Positionssensor), bei dem die erzeugte elektrische Energie sowohl als Sensorsignal als auch als Energie für den Betrieb des Systems 100 verwendet wird, durch andere Arten von Elementen realisiert werden (z.B. von einem elektromagnetischen Typ, der einen Körper mit Permanentmagnetisierung umfasst, der so konfiguriert ist, dass er sich innerhalb einer Spule bewegt, wobei die Bewegung durch Ausüben von Druck auf das Element erzeugt wird).
Der erste Energiespeicher 115 (z. B. ein erster Kondensator) wird zunächst durch das elektrische Signal geladen und die entsprechende Spannung im ersten Kondensator steigt an (V=Q/C), wobei C die Kapazität, Q die Ladung und V die Spannung ist.
Der elektrische Strom fließt dann durch die Regulatoreinheit 120. Bei der Regulatoreinheit 120 handelt es sich vorzugsweise um einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) -Regulator. Zu Beginn des Betriebs befindet sich die Regulatoreinheit 120 in einem Nicht-Regulierungsmodus, so dass der elektrische Strom direkt in den zweiten Energiespeicher 125 (z. B. einen zweiten Kondensator) fließt.
Übersteigt die Spannung im zweiten Energiespeicher 125 ein bestimmtes Spannungslevel, steuert eine erste Komparatoreinheit 130 eine erste Schalteinheit 135 an, so dass elektrischer Strom in den dritten Energiespeicher 140 (z. B. einen dritten Kondensator) geleitet wird. Gleichzeitig wird die Leistungsverwaltungseinheit 110 mit Strom versorgt und auf EIN gesetzt.
Das Verfahren zur Ermittlung des Spannungslevels der ersten Komparatoreinheit 130 kann mit einer Widerstandsbrücke verwendet werden, die in Reihe mit Lastschaltkomponenten liegt, die mit Kondensatoren verbunden sind. Es können auch direkte Spannungsmessverfahren verwendet werden.
Bei dem ersten Energiespeicher 115, dem zweiten Energiespeicher 125 und dem dritten Energiespeicher 140 kann es sich um Kondensatoren, Superkondensatoren, Dünnschicht-Lithiumbatterien oder andere Arten von geeigneten Energiespeichern (z. B. jede Batterie) handeln. Natürlich können auch verschiedene Kombinationen dieser Typen verwendet werden. So kann beispielsweise der erste Energiespeicher 115 ein Kondensator und der zweite Energiespeicher 125 eine Dünnschicht-Lithiumbatterie sein. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteile des jeweiligen Energiespeichertyps optimal genutzt werden. Ein Energiespeicher des ersten Typs kann beispielsweise schnell geladen werden, kann aber die gespeicherte Energie nicht über einen längeren Zeitraum halten. Ein anderer Energiespeicher braucht vielleicht länger zum Laden, kann aber die Energie über einen längeren Zeitraum speichern.
Überschreitet die Spannung im zweiten Energiespeicher 125 den von der zweiten Komparatoreinheit 147 gemessenen Regulierungsschwellenwert der elektrischen Energie, schaltet die Regulatoreinheit 120 in einen Regulierungsmodus, so dass der zweite Energiespeicher 125 und/oder der dritte Energiespeicher 140 in einem regulierten Spannungsbereich zwischen 1,0 bis 4,0 V, bevorzugt 1,5 bis 3,5 V, mehr bevorzugt 2,0 bis 3,0 V verbleibt. In diesem geregelten Spannungsbereich kann die Spannung im ersten Energiespeicher 115 ansteigen und elektrische Energie akkumulieren (W=0,5*C*V²), wobei W die elektrische Energie, C die Kapazität und V die Spannung ist.
Sobald die Spannung im ersten Energiespeicher 115 den oberen Wandlerschwellenwert überschreitet, geht die Wandlereinheit 150 (z.B. ein Sperrwandler, wie später beschrieben wird) vom nicht-aktiven Modus in den aktiven Modus über, um die Übertragung einer elektrischen Energiemenge zwischen dem ersten Energiespeicher 115 und dem zweiten Energiespeicher 125 selektiv zu steuern.
Im aktiven Modus überträgt die Wandlereinheit 120 Ladung (oder elektrische Energie) vom ersten Energiespeicher 115 zum zweiten Energiespeicher 125 durch elektrische Leistungsumwandlung, wie oben erläutert. Auf diese Weise kann eine selektive Steuerung zwischen dem ersten Energiespeicher 115 und dem zweiten Energiespeicher 125 gemäß der Konvention erhalten werden.
Diese Übertragung von elektrischer Energie erfolgt mit einer bestimmten (Schalt-) Frequenz, die die Wandlereinheit 120 veranlasst, zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand zu schalten (wie später in Bezug auf die 2A und 2B erläutert wird). Dieses Schalten der Wandlereinheit 150 kann so angepasst werden, dass die Menge der zu übertragenden Ladung (und damit die Menge der elektrischen Energie) selektiv gesteuert werden kann. Bei einer höheren Schaltfrequenz kann während des aktiven Betriebs in der gleichen Zeit mehr Ladung übertragen werden, da der Ladezustand häufiger auftreten kann.
Der aktive oder inaktive Modus der Wandlereinheit 150 basiert auf der Eingangsspannung des ersten Energiespeichers 125 vom Piezoelement 110, nämlich dem oberen Wandlerschwellenwert und dem unteren Wandlerschwellenwert. In einem Beispiel kann die Leistungsverwaltungseinheit 110 alle 200 ms das Spannungslevel im ersten Energiespeicher 125 überprüfen. Je nach den spezifischen Eigenschaften können auch andere Zeitintervalle für die Überprüfung des Spannungsniveaus anwendbar sein, z. B. alle 50 ms, 100 ms, 300 ms oder 500 ms.
Im aktiven Modus erzeugt die Leistungsverwaltungseinheit 110 ein Steuersignal (Schaltsignal) und sendet es an die Wandlereinheit 150. Dieses Steuersignal (Schaltsignal) steuert den Lade- und Entladezustand der Wandlereinheit mit Hilfe eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) -Schalters (nicht dargestellt). Andere FET-basierte Schalter sind ebenfalls denkbar.
Wenn sich die Wandlereinheit 150, z. B. ein Sperrwandler, im Ladezustand befindet (z. B. der MOSFET-Schalter ist leitend), wird elektrische Energie aus dem ersten Energiespeicher 115 auf die primäre Transformatorseite des Sperrwandlers 150 geladen. Die Dauer des Ladezustands kann in der Leistungsverwaltungseinheit 110 festgelegt werden (z. B. im Bereich von 20 bis 180 ns, vorzugsweise 50 bis 150 ns, noch bevorzugter 80 bis 120 ns, am meisten bevorzugt etwa 100 ns oder 200 bis 400 ns, vorzugsweise 250 bis 350 ns, noch bevorzugter 275 bis 325 ns oder 225 bis 275 ns, am meisten bevorzugt etwa 300 ns).
Sobald die Wandlereinheit 150 in den Entladezustand schaltet (z. B. der MOSFET-Schalter ist nicht leitend), wird die elektrische Energie von der primären Transformatorseite in die sekundäre Transformatorseite der Wandlereinheit 150 und dann in den zweiten Energiespeicher 125 übertragen. Diese Lade-Entlade-Schaltungen können periodisch geplant werden, während sich die Wandlereinheit 150 im aktiven Modus befindet, und können auf die selektive Steuerung gemäß der vorliegenden Anwendung bezogen werden. Die Frequenz dieses Zeitplans ist die erwähnte Schaltfrequenz und kann von der Leistungsverwaltungseinheit 110 wie oben erläutert angepasst werden.
Wenn Ladung (oder elektrische Energie) in die Primärtransformatorseite der Wandlereinheit 150 fließt, sinkt die Spannung im ersten Energiespeicher 115. Sobald die Spannung im ersten Energiespeicher 115 unter den unteren Wandlerschwellenwert sinkt, geht die Wandlereinheit 150 in den Ruhezustand über und die Leistungsverwaltungseinheit 110 kann die erwähnte Steuersignalschaltung beenden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Dauer, in der sich die Wandlereinheit 150 im aktiven Modus befindet, gemessen und zur Einstellung der Schaltfrequenz verwendet werden kann, wobei die optimale Schaltfrequenz von der im Piezoelement 110 erzeugten Ladung und/oder der vom System 100 verbrauchten Gesamtleistung abhängen kann. Auf diese Weise kann die optimale Schaltfrequenz entweder durch eine Berechnung in der Steuereinheit 155 (z. B. einem Mikrocontroller) und/oder innerhalb der Leistungsverwaltungseinheit 110 bestimmt werden. Die ermittelte Schaltfrequenz kann dann in der Leistungsverwaltungseinheit 110 verwendet werden, um den Lade- und Entladezustand der Wandlereinheit 150 zu schalten. Daher kann die Wandlereinheit 150 im optimalen Modus betrieben werden.
Die Leistungsverwaltungseinheit 110 kann zumindest eines der folgenden Dinge veranlassen, sobald bestimmte Spannungspegel ausreichen: die zweite Schalteinheit 160 und/oder die dritte Schalteinheit 170 einschalten, den Superkondensatorspeicher 165 und/oder die Steuereinheit 155 hochfahren.
Der zweite Energiespeicher 125 und/oder der dritte Energiespeicher 140 können aus dem Superkondensatorspeicher 165 (oder einer Batterie) gespeist werden, wenn das elektrische Signal des Piezoelements 110 zu gering ist oder ausfällt.
Darüber hinaus kann die elektrische Energie aus dem dritten Energiespeicher 140 auch für andere Zwecke verwendet werden, z. B. zum schnellen Hochfahren des Systems 100. Auf diese Weise kann sich das System 100 auf der Grundlage selbstgewonnener Energie selbst verwalten. Dennoch kann das System 100 so ausgelegt werden, dass es einen sehr geringen Stromverbrauch hat.
Bei den oben erwähnten Energiespeichern kann es sich um einen oder mehrere Kondensatoren, Superkondensatoren, Dünnschicht-Lithiumbatterien oder andere geeignete Energiespeicher (z. B. jede Art von Batterie) handeln, die eine geringe Verlustleistung und kleine Abmessungen aufweisen. Die Firmware der Steuereinheit 155 kann so gestaltet sein, dass sie sich im Ruhezustand befindet, wenn sie nicht benutzt wird. Dies ermöglicht eine geringere Leistungsaufnahme und eine effizientere Nutzung der Energie.
2A und 2B zeigen die Schaltung und den Betrieb einer Wandlereinheit in einem System (z.B. die Wandlereinheit 150 im System 100 wie in 1 beschrieben) für eine Schuhsohle gemäß der vorliegenden Erfindung.
2A zeigt ein beispielhaftes Schaltbild der Wandlereinheit, wobei es sich bei der Wandlereinheit um einen Sperrwandler 200 im aktiven Modus ähnlich der Wandlereinheit 150 in 1 handelt. Im Folgenden wird der Betrieb des Sperrwandlers 200 im aktiven Modus näher beschrieben.
Wie bereits erwähnt, kann der Sperrwandler 200 als Transformator 205 zur Gleichstromwandlung, DC/DC-Wandlung, mit galvanischer Trennung zwischen der Eingangsspannung 210, z. B. von einem Piezoelement (nicht dargestellt, aber ähnlich dem Piezoelement 110) und der Ausgangsspannung 230 verwendet werden. Die Eingangsspannung 210 (und die entsprechende elektrische Energie) wird an den ersten Kondensator 215 (ähnlich dem ersten Energiespeicher 115) angelegt, und die Ausgangsspannung 230 (und die entsprechende elektrische Energie) wird an den zweiten Kondensator 235 (ähnlich dem zweiten Energiespeicher 125) angelegt.
Im aktiven Modus erzeugt eine Leistungsverwaltungseinheit (ähnlich der Leistungsverwaltungseinheit 110) ein Steuersignal (Schaltsignal) 240 und sendet es an den Sperrwandler 200 unter Verwendung eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) -Schalters 247. Wie bereits erwähnt, kann dieses Steuersignal (Schaltsignal) 240 zusammen mit dem MOSFET-Schalter 247 den Ladezustand und den Entladezustand des Sperrwandlers 200 für die selektive Steuerung der Übertragung einer elektrischen Energiemenge zwischen dem ersten Kondensator 215 und dem zweiten Kondensator 235 steuern.
Wenn der MOSFET-Schalter 247 leitend ist, befindet sich der Sperrwandler 200 im Ladezustand. Elektrische Energie wird dann von dem ersten Kondensator 215 auf die primäre Transformatorseite 242 des Sperrwandlers 200 geladen. Die Dauer des Ladezustands kann, wie oben erläutert, in der Leistungsverwaltungseinheit festgelegt werden (z. B. im Bereich von 20 bis 180 ns, vorzugsweise 50 bis 150 ns, noch bevorzugter 80 bis 120 ns, am meisten bevorzugt etwa 100 ns oder 200 bis 400 ns, vorzugsweise 250 bis 350 ns, noch bevorzugter 275 bis 325 ns oder 225 bis 275 ns).
Wenn der MOSFET-Schalter 247 nicht leitend ist, befindet sich der Sperrwandler 200 im Entladezustand. Die elektrische Energie wird dann von der primären Transformatorseite 242 auf die sekundäre Transformatorseite 245 des Sperrwandlers 200 übertragen.
Diese elektrische Energie wird über eine Gleichrichtereinheit 250, z. B. eine gleichrichtende Diode, an den zweiten Kondensator 235 weitergeleitet. Die Übergänge (oder Schaltungen) zwischen dem Ladezustand und dem Entladezustand des Sperrwandlers 200 können periodisch mit der genannten Schaltfrequenz erfolgen, die von der Kombination aus der Leistungsverwaltungseinheit und dem MOSFET-Schalter 247 angewendet wird.
2B zeigt die verschiedenen Betriebsarten und Zustände des Sperrwandlers 200, die sich im Laufe der Zeit (von links nach rechts) und in Abhängigkeit von der Eingangsspannung 210, z. B. von dem Piezoelement (nicht dargestellt, aber ähnlich dem Piezoelement 110), ändern. Der aktive Modus 255 oder der nicht-aktive Modus 265 des Sperrwandlers 200 basieren auf zwei spezifischen Eingangsspannungen 210 am ersten Kondensator 215, nämlich dem unteren Wandlerschwellenwert 270 (für den nicht-aktiven Modus 265) und dem oberen Wandlerschwellenwert 275 (für den aktiven Modus 255).
Wenn die Eingangsspannung 210 am ersten Kondensator 215 den oberen Wandlerschwellenwert 275 überschreitet, geht der Sperrwandler 200, wie oben erläutert, in den aktiven Modus 255 über.
In diesem Modus schaltet der Sperrwandler 200 mit der Schaltfrequenz 280 zwischen dem Ladezustand 285 und dem Entladezustand 290 um.
Im Ladezustand 285 wird elektrische Energie vom ersten Kondensator 215 auf die primäre Transformatorseite 242 des Sperrwandlers 200 geladen. Im Entladezustand 290 wird die elektrische Energie dann von der primären Transformatorseite 242 auf die sekundäre Transformatorseite 245 des Sperrwandlers 200 übertragen.
Die Dauer des Ladezustands 285 kann als Pulsdauer der Ladezeit angesehen werden. In gibt es vier verschiedene (Energie- oder Lade-) Pulse während vier Ladezuständen 285. Bei einer höheren Schaltfrequenz 280 können mehr Pulse (oder Ladezustände 285) im aktiven Modus 255 auftreten, so dass mehr Gesamtladung (und folglich eine höhere Menge an elektrischer Energie) in der gleichen Zeit übertragen werden kann.
Wenn die Eingangsspannung 210 im ersten Kondensator 215 unter den unteren Wandlerschwellenwert 270 fällt, geht der Sperrwandler 200 in den inaktiven Modus 265 über, und das Umschalten zwischen dem Ladezustand 285 und dem Entladezustand 290 wird beendet.
Sobald die Eingangsspannung 210 im ersten Kondensator 215 den oberen Wandlerschwellenwert 275 wieder überschreitet, geht der Sperrwandler 200 wieder in den aktiven Modus 255 über und das Schalten zwischen dem Ladezustand 285 und dem Entladezustand 290 wird fortgesetzt.
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

EP 3235395 A1 [0005]
US 20130028368 A1 [0006]
US 20140088917 A1 [0006]

Claims

System (100) für eine Schuhsohle, umfassend: a. zumindest ein Piezoelement (110), das angepasst ist zum Erzeugen eines elektrischen Signals (210) bei mechanischer Deformation des zumindest einen Piezoelements (110); b. zumindest einen ersten Energiespeicher (115, 215) und zumindest einen zweiten Energiespeicher (125, 235), wobei der zumindest eine erste Energiespeicher (115, 215) und der zumindest eine zweite Energiespeicher (125, 235) angepasst sind zum Speichern von elektrischer Energie, erhalten aus dem elektrischen Signal (210); und c. zumindest eine Wandlereinheit (150, 200), die angepasst ist zum selektiven Steuern einer Übertragung einer Menge von elektrischer Energie zwischen dem zumindest einen ersten Energiespeicher (115, 215) und dem zumindest einen zweiten Energiespeicher.
System (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine Wandlereinheit (150, 200) angepasst ist zum selektiven Steuern der Übertragung einer Menge an elektrischer Energie zumindest teilweise basierend auf einer Schaltfrequenz (280) zwischen einem Ladezustand (285) und einem Entladezustand (290) der mindestens einen Wandlereinheit (150, 200).
System (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schaltfrequenz (280) zumindest teilweise auf dem elektrischen Signal (210) des zumindest einen Piezoelements (110) und/oder einer vom System (100) verwendeten Gesamtleistung basiert.
System (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, ferner umfassend eine Steuereinheit (155), die angepasst ist zur Berechnung der Schaltfrequenz (280).
System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Ladezustand (285) eine Dauer im Bereich von 20 bis 180 ns, vorzugsweise 50 bis 150 ns, noch bevorzugter 80 bis 120 ns, am meisten bevorzugt etwa 100 ns oder 200 bis 400 ns, vorzugsweise 250 bis 350 ns, noch bevorzugter 275 bis 325 ns oder 225 bis 275 ns, am meisten bevorzugt etwa 300 ns, aufweist.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Wandlereinheit (150, 200) einen aktiven Modus (255) und einen nicht-aktiven Modus (265) aufweist, wobei ein Übergang zwischen dem aktiven Modus (255) und dem nicht-aktiven Modus (265) zumindest teilweise auf einem unteren Wandlerschwellenwert (270) und/oder einem oberen Wandlerschwellenwert (275) für die an dem zumindest einen ersten Energiespeicher (115, 215) gemessene elektrische Energie basiert und wobei die selektive Steuerung der zumindest einen Wandlereinheit (150, 200) nur in dem aktiven Modus (255) bereitgestellt wird.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Wandlereinheit (150, 200) ein Sperrwandler (200) ist, der eine mit dem mindestens einen ersten Energiespeicher (115, 215) verbundene primäre Transformatorseite (242) und eine mit dem mindestens einen zweiten Energiespeicher (125, 235) verbundene sekundäre Transformatorseite (245) aufweist.
System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei im Ladezustand (285) die elektrische Energie von dem mindestens einen ersten Energiespeicher (115, 215) an die mindestens eine Wandlereinheit (150, 200) und im Entladezustand (290) die elektrische Energie von der mindestens einen Wandlereinheit (150, 200) an den mindestens einen zweiten Energiespeicher (125, 235) übertragen wird.
System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die mindestens eine Wandlereinheit (150, 200) einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter (247) umfasst, der angepasst ist zum Schalten der mindestens einen Wandlereinheit (150, 200) zwischen dem Ladezustand (285) und dem Entladezustand (290).
System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, ferner umfassend eine Leistungsverwaltungseinheit (110), die angepasst ist, ein Steuersignal (240) zu erzeugen, um die mindestens eine Wandlereinheit (150, 200) zwischen dem Ladezustand (285) und dem Entladezustand (290) zu schalten.
Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen dritten Energiespeicher (140), der angepasst ist zum Speichern von elektrischer Energie, die aus dem elektrischen Signal (210) erhalten wird, und zum Bereitstellen von elektrischer Energie an den mindestens einen zweiten Energiespeicher (125, 235), wenn das elektrische Signal (210) von dem mindestens einen Piezoelement unter einen Piezo-Schwellenwert elektrischer Energie fällt.
Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Regulatoreinheit (120), vorzugsweise einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET)-Regulator, der angepasst ist zum Schalten zwischen einem Regulierungsmodus und einem Nicht-Regulierungsmodus der mindestens einen Regulatoreinheit (120), basierend zumindest teilweise auf einem Regulierungsschwellenwert der elektrischen Energie.
System (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Regulierungsmodus bewirkt, dass der mindestens eine zweite Energiespeicher (125, 235) in einem regulierten Spannungsbereich zwischen 1,0 bis 4,0 V, vorzugsweise 1,5 bis 3,5 V, besonders bevorzugt 2,0 bis 3,0 V oder 2,0 bis 5,5 V oder 3,0 bis 4,2 V verbleibt, so dass sich elektrische Energie in dem mindestens einen ersten Energiespeicher (115, 215) ansammelt.
Das System (100) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, ferner umfassend zumindest eine Komparatoreinheit (147), die angepasst ist zum Messen des Regulierungsschwellenwerts elektrischer Energie.
Das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend zumindest eine Gleichrichtereinheit (112), die angepasst ist zum Umwandeln des elektrischen Signals (210).
Das System (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend zumindest eine aus einer Signalverarbeitungseinheit (107), einer ersten Komparatoreinheit (130), einer zweiten Komparatoreinheit (147), einer ersten Schalteinheit (135), einer zweiten Schalteinheit (160), einer dritten Schalteinheit (170), oder einer Batterieeinheit (165), wobei das System (100) zumindest eine der folgenden Anordnungen umfasst: - das mindestens eine Piezoelement (105) ist mit der Signalverarbeitungseinheit (107) verbunden; - die mindestens eine Gleichrichtereinheit (112) ist zwischen dem mindestens einen Piezoelement (105) und dem mindestens einen ersten Energiespeicher (115, 215) verbunden; - der mindestens eine erste Energiespeicher (115, 215) ist mit mindestens einer der mindestens einen Regulatoreinheit (120), der mindestens einen Wandlereinheit (150, 200) oder der Leistungsverwaltungseinheit (110) verbunden; - die zumindest eine Regulatoreinheit (120) ist zwischen dem zumindest einen ersten Energiespeicher (115, 215) und dem zumindest einen zweiten Energiespeicher (125, 235) verbunden und ist mit der zweiten Komparatoreinheit (147) verbunden; - die mindestens eine Wandlereinheit (150, 200) ist mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Energiespeicher (115, 215), dem mindestens einen zweiten Energiespeicher (125, 235) oder der Leistungsverwaltungseinheit (110) verbunden; - der mindestens eine zweite Energiespeicher (125, 235) ist verbunden mit mindestens einem des mindestens einen dritten Energiespeichers (140), vorzugsweise durch die erste Schalteinheit (135), die erste Komparatoreinheit (130) oder die zweite Komparatoreinheit (147); - die erste Komparatoreinheit (130) ist mit der ersten Schalteinheit (135) verbunden; - der mindestens eine dritte Energiespeicher (140) ist verbunden mit mindestens einer der Batterieeinheit (165), vorzugsweise durch die zweite Schalteinheit (160), die Steuereinheit (155), vorzugsweise durch die dritte Schalteinheit (170), und die Leistungsverwaltungseinheit (110); - die Steuereinheit (155) ist mit der Leistungsverwaltungseinheit (110) verbunden; und - die Leistungsverwaltungseinheit (110) ist mit zumindest einer der Signalverarbeitungseinheit (107), der zweiten Schalteinheit (160) oder der dritten Schalteinheit (170) verbunden.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (100) in eine Kavität einer Innensohle, einer Zwischensohle oder einer Außensohle eines Schuhs integriert ist.
System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei Piezoelemente (105) in einem Fersenbereich und/oder einem Vorfußbereich der Schuhsohle angeordnet sind.
Schuhsohle, umfassend das System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Schuh, insbesondere Sportschuh, umfassend die Schuhsohle nach dem vorhergehenden Anspruch.
Verfahren zum Betreiben des Systems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, das Verfahren umfassend: a. Erzeugen des elektrischen Signals (210) bei mechanischer Deformation des zumindest einen Piezoelements (105); und b. selektives Steuern der Übertragung einer Menge von elektrischer Energie zwischen dem zumindest einen ersten Energiespeicher (115, 215) und dem zumindest einen zweiten Energiespeicher (125, 235).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das selektive Steuern das Schalten der mindestens einen Wandlereinheit (150, 200) zwischen dem Ladezustand (285) und dem Entladezustand (290) unter Verwendung der Schaltfrequenz (280) umfasst und wobei im Ladezustand (285) die elektrische Energie von dem mindestens einen ersten Energiespeicher (115, 215) an die mindestens eine Wandlereinheit (150, 200) übertragen wird und im Entladezustand (290) die elektrische Energie von der mindestens einen Wandlereinheit (150, 200) an den mindestens einen zweiten Energiespeicher (125, 235) übertragen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend das Berechnen der Schaltfrequenz (280).
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, ferner umfassend das Schalten des Systems (100) zwischen dem aktiven Modus (255) und dem nicht-aktiven Modus (265) und/oder zwischen dem Regulierungsmodus und dem Nicht-Regulierungsmodus.