EP3939099A1 - Energy harvesting system - Google Patents

Energy harvesting system

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Publication number
EP3939099A1
EP3939099A1 EP20727945.6A EP20727945A EP3939099A1 EP 3939099 A1 EP3939099 A1 EP 3939099A1 EP 20727945 A EP20727945 A EP 20727945A EP 3939099 A1 EP3939099 A1 EP 3939099A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy harvesting
harvesting system
piezoelectric
energy
previous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20727945.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcin BRYLAK
Stefan SAX
Peter LUKAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP3939099A1 publication Critical patent/EP3939099A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/181—Circuits; Control arrangements or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/70—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the invention relates to an energy harvesting system.
  • Photovoltaics a well-known example with which an electrical device, for example a path light, can be operated independently of the power grid.
  • a less well-known microscopic alternative is to use the piezoelectric effect to generate energy from the environment.
  • Deformation of the piezoelectric material for example due to pressure or vibrations, can affect the piezoelectric material electrical voltage can be tapped, which can be used for energy supply.
  • a piezoelectric energy harvesting system that has a good energy yield in several spatial directions is therefore desirable.
  • the object of the present invention is to provide a
  • the present object is achieved by the energy harvesting system according to claim 1. More beneficial
  • the piezoelectric unit has at least two piezoelectric units and a central control unit.
  • the piezoelectric units in turn each have a piezoelectric layer and integrated electronics, the integrated
  • the piezoelectric layers are angled to one another
  • the integrated electronics contact the central control unit, which in turn has a control module and is designed to collect electrical energy from the piezoelectric units, the control module being designed to minimize or prevent mutual electrical damping of the piezoelectric units.
  • An energy harvesting system can thus be built that consists of several piezoelectric units, which are used as
  • Caching can be used.
  • angled can be understood here to mean an arrangement in which the layers in question are at any angle, but different from 0 °
  • the angle between the layers can be considered to be an angle that is defined by the
  • the layers angled to one another can thus be arranged with respect to one another as desired, with only a parallel arrangement of the layers
  • the angle between the two layers arranged at an angle to one another should preferably be at least 10 °, particularly preferably at least 45 °.
  • the amount of energy that a piezoelectric layer can generate is highly dependent on the degree of deformation of the piezoelectric material and thus closely tied to the geometry used. Especially in geometries that result in an anisotropic flexibility, such as one
  • the possible energy gained is strongly dependent on the direction of an acting force.
  • a force with a direction parallel to the normal can lead to a strong deformation and thus a strong energy gain, whereas an equally large force perpendicular to the normal does not produce any deformation and thus no energy gain.
  • each piezoelectric unit has its own integrated electronics, which smooth and limit the voltage generated in the piezoelectric layer, the generated, often strongly fluctuating, voltage can be used directly for other
  • control module in the control unit can primarily be used to prevent or minimize mutual electrical damping of the piezoelectric units.
  • the two piezoelectric layers can be perpendicular
  • At least two piezoelectrics are provided to stand by each other. At least two piezoelectrics
  • the Energy Harvesting System can be a third
  • the third piezoelectric layer is arranged perpendicular to the first two piezoelectric layers, it is possible to obtain the maximum energy from the further third
  • the Energy Harvesting System can do other tasks
  • the piezoelectric layers can be in the shape of a segment of a circle. Piezoelectric layers in the form of circular segments
  • the piezoelectric layers can be arranged in three intersecting circular planes.
  • the three planes can intersect at right angles to one another. The energy generation is therefore independent of direction, since the sum of the energies generated from the piezoelectric layers in the three levels is independent of the orientation of the Energy
  • Fastening the piezoelectric units and the control unit in a framework can be useful in order to increase the mobility of the energy harvesting system.
  • Vibrations and forces acting on the framework are transmitted to the piezoelectric layers, which enables them to generate electrical energy.
  • Another possibility is an attachment with an adhesive. Depending on the expected
  • Reinforcement elements especially at angles, can further increase the stability and robustness of the scaffolding.
  • Plastics and metals can be used as the material without excluding other materials.
  • a design of the framework can be spherical.
  • a spherical shape allows the Energy Harvesting System to generate electrical energy, for example by rolling.
  • a spherical energy harvesting system is also suitable for use in a sports ball, such as a soccer ball, a basketball, a tennis ball, a baseball or even a bowling ball.
  • the at least two integrated electronics can be connected to one another in parallel or in series to form a group.
  • the electrical power generated is output with a different electrical voltage and electrical current. If the integrated electronics are connected in parallel to form a group, the electrical current output by the individual integrated electronics can be added and increased overall. In a serial connection of the integrated electronics, on the other hand, the voltages output of the integrated electronics are added and thus increased overall.
  • the Energy Harvesting System can do several of the following
  • the groups of integrated electronics can be interconnected in parallel or in series. Analogous to individual integrated electronics that are interconnected in series or in parallel, the output current from several groups can be added if the individual groups are interconnected in parallel, and the output voltage if the individual groups are interconnected in series.
  • the integrated electronics and / or the control unit can have electrical components to limit a in the
  • the rectifier can take the AC voltage from the
  • piezoelectric layers are converted into a smooth DC voltage, which can then be used by other electrical components. It can therefore be expedient to implement a rectifier that converts alternating current to direct current into the integrated electronics.
  • Zener diode acts as a kind of fuse for the integrated circuit. In the event of excessive tension, it provides a
  • piezoelectric layer is suppressed by the Zener diode.
  • the rectifier can be integrated in an integrated circuit and a Protection circuit can be connected in parallel to the integrated circuit.
  • the protection circuit can consist of one
  • Transistor and the capacitor can be connected.
  • the transistor can be controlled by a voltage taken from the voltage divider.
  • the voltage divider here should be designed so that the transistor
  • Piezoelectric layers is therefore stored on the capacitor connected in series and can be used after a voltage spike. Accordingly, the protective circuit described can also achieve a higher degree of efficiency than the circuit with a Zener diode, since it is excessive
  • the resistance of the capacitor is for transient
  • the control unit can have an RF module. Thus, the control unit can send information wirelessly to a receiver.
  • control unit and the RF module can be designed with the electrical energy collected from the energy
  • the energy harvesting system can be completely self-sufficient in terms of energy, which means that all electrical components in the system are only operated with the energy obtained from the piezoelectric layers. This makes it possible to completely do without an external energy supply, making the energy harvesting system independent and mobile.
  • the piezoelectric layers can be arranged on a substrate that is thinner than 1 mm.
  • a substrate increases the mechanical stability of the piezoelectric layers, which means that they can withstand greater forces without damage.
  • a substrate especially if it's too stiff, can be a
  • a thickness of less than 1 mm has been found to be
  • the thickness of the substrate should not be less than 0.2 mm.
  • the substrate can also be electrically conductive.
  • the piezoelectric layer can be placed directly over the
  • Substrate are contacted and the substrate can be used as an electrode in this way.
  • the piezoelectric layer can be adapted to the shape of the substrate. This makes it possible to cover the largest possible area of the substrate with a piezoelectric layer and to optimize the generation of energy.
  • the substrate itself can be square, triangular, or circular be circular sector-shaped or have any other shape. On the one hand, the substrate shape and thus also the shape of the piezoelectric layer for the geometric
  • the coupled-out voltage can meet the requirements of the piezoelectric layers
  • the piezoelectric units can have limiters which are designed for the deflection of the
  • a limiter is here, for example, a part that covers the entire, half or even only a quarter of the piezoelectric layer with a certain distance.
  • the limiter is designed to mechanically limit the amplitude of the deformation or deflection of the piezoelectric layer, for example in that the piezoelectric layer strikes the limiter when the maximum permissible deformation is reached. Approx. 1 mm distance to the piezoelectric
  • the limiter limits the maximum deflection of the piezoelectric layer and thus limits the mechanical load on the piezoelectric layer in the event of strong forces, but also for continuous operation.
  • the limiter can be used to avoid strong voltage peaks on the piezoelectric layers, which occur in the event of strong deformation.
  • control unit can also have a DC voltage converter to which the integrated electronics are connected. This enables the DC voltage that is decoupled from the integrated electronics into another, for example for the Control or RF module needed to convert voltage.
  • both the integrated electronics and the control unit can have a smoothing capacitor. If the Energy Harvesting System does not have a DC / DC converter, a smoothing capacitor can be integrated in the
  • Electronics or the control unit reduce voltage fluctuations and thus smooth the voltage curve. If a
  • DC-DC converter is integrated into the control unit, due to a capacitance of a first capacitor on the integrated electronics, which is electrically connected upstream of the DC-DC converter, and the capacitance of a second capacitor on the control unit, which is the
  • DC-DC converter is electrically connected downstream, the ratio between input and output voltage can be adjusted.
  • the control module can be a system-on-a-chip (SoC) or a microcontroller. Both options make it possible to program processes and functions in the energy harvesting system and also allow the energy harvesting system to be expanded with other electrical and programmable components. In addition, SoC and microcontrollers are included
  • the RF module can have a power-on reset time with a duration of less than 50 ms.
  • An RF module with such a short power-on reset time requires little energy to start up in a functional state. This is why RF modules have a short power-on reset time suitable for integration into energy harvesting
  • Low-energy Z-Wave, ZigBee or Bluetooth modules are expressly suitable as RF modules because they require little energy and can be controlled via a control module.
  • the RF module is a Bluetooth transmitter
  • the Bluetooth transmitter can be designed to adapt the number of channels. According to the Bluetooth standard, there are 79 channels with a frequency width of 1MHz each. The entire frequency range is not used for sending small packets
  • the Bluetooth transmitter can transmit on a single channel. This is the
  • Bluetooth receiver is possible. As a result, depending on the number of channels, the most energy can be saved with only one channel.
  • the transmission signal, the transmission power and the intermediate signal pause must be set so that as little energy as possible is consumed. This can be implemented differently depending on the RF module.
  • the transmission power can for example be reduced depending on a reception strength to such an extent that a reliable connection continues to exist.
  • the duration of a transmission signal can also in this respect
  • the control unit can additionally have a rechargeable battery or a capacitor for energy storage.
  • a rechargeable battery or a capacitor for energy storage.
  • Piezoelectric layers is obtained, stored and accumulated. This makes it possible to use the Energy
  • Harvesting system can also be used to operate applications and electrical components that require greater electrical power or to use the collected energy at a later point in time.
  • control unit can be configured to use the generated in the piezoelectric layers
  • the deflection of the piezoelectric layers is primarily proportional to an acceleration acting on them, an acceleration can be inferred from the voltage generated at the piezoelectric layers. Since the piezoelectric layers are arranged perpendicular to one another, both the amount and the direction of the
  • control unit can have further sensors.
  • the Energy Harvesting System can be used for useful for many applications that require advanced sensor technology. This can be, for example, GPS sensors, temperature sensors, force sensors,
  • the piezoelectric layer can be a polymer layer, a ceramic layer, a ceramic thin layer, a
  • the layer is piezoelectric, it is in principle suitable for use in an energy harvesting system.
  • a polymer or ceramic thin layer has the advantage over other piezoelectric layers that it is more flexible.
  • the voltage output of the piezoelectric layer can be adapted by changing the monolithic interconnection.
  • the piezoelectric layer can be thinner than 300 ⁇ m. Depending on the thickness of the piezoelectric layer, but also on other geometric and material factors, the piezoelectric layer becomes stiffer or more flexible or
  • piezoelectric layer on the substrate can be greatly changed. From this point of view, a
  • piezoelectric layer the flexibility of a thin
  • An energy harvesting system according to the present invention can be integrated in a shock sensor in that the energy harvesting system is connected, for example, to a scaffolding, the energy harvesting system being designed to detect an impact or shock and to do so
  • Such an energetically self-sufficient shock sensor is able to detect a strong acceleration, as given by an impact, and to send it to a receiver, such as a smartphone, without an external one
  • FIG. 1 shows a plan view of a piezoelectric layer which is arranged on a substrate.
  • FIG. 2 shows a three-dimensional view of an arrangement of three piezoelectric units.
  • FIG. 3 shows a possible one in a structure diagram
  • FIG. 4 is a schematic diagram wherein the
  • Transmission power of an RF module is plotted against time.
  • Figure 5 shows a circuit diagram of a protective circuit.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a protection circuit in which the transistor is a MOSFET with eight pins.
  • Figure 7 shows a layout of a circuit board of
  • FIG. 8 shows two integrated electronics that are connected in parallel.
  • FIG. 9 shows a circuit board on which two integrated electronics are arranged, the rectifiers being made up of eight discrete individual diodes.
  • FIG. 10 shows a circuit diagram of the integrated electronics shown in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 11 shows an arrangement in which 24 piezoelectric layers are fastened in a framework.
  • FIG. 12 shows an arrangement in which 24 piezoelectric units are fastened in a frame.
  • FIG. 13 shows an open shock sensor in which an energy harvesting system according to the present invention is integrated.
  • FIG. 14 shows a spherical framework that is reinforced at the angles.
  • Figure 15 shows a holder for a central
  • FIG. 16 shows a hemispherical casing for a frame with holes.
  • FIG. 17 shows in a schematic sketch the mode of operation of a shock sensor.
  • Figure 1 shows a plan view of a piezoelectric
  • Layer 6 which is arranged on a substrate 8 and for an energy harvesting system 1 according to the present invention
  • Layer 6 is attached to substrate 8 using an adhesive process, but it is also possible to deposit the piezoelectric layer 6 directly onto substrate 8 or
  • the piezoelectric layer 6 was on the
  • the substrate 8 has holes which are used to fasten the substrate 8, for example with screws.
  • the substrate 8 is indeed in the shape of a sector of a circle because it was adapted to the requirements of an application, but it can have any other shape.
  • the piezoelectric layer 6 shown in Figure 1 is a PZT-5H ceramic layer, but it is also possible that piezoelectric layer 6 from another
  • Ceramic thin layer a multilayer ceramic, a
  • the superiority of a monolithic ceramic layer over normal piezoelectric layers 6 is that the voltage output can be adjusted by the
  • the substrate 8 is made of steel and is therefore electrically conductive. If the piezoelectric layer 6, as shown in FIG. 1, is arranged directly on a conductive substrate 8, the piezoelectric layer 6 can be contacted via the substrate 8 by using the substrate 8 as an electrode. In addition to steel, other metals such as
  • non-metallic conductors can be used.
  • the PZT-5H layer shown in Figure 1 is 300 gm thick and the steel substrate 400 gm thick.
  • a substrate 8 increases the mechanical stability of the piezoelectric layers 6, so that they can withstand a greater force without being damaged.
  • a substrate 8, especially if it is too stiff, can hinder a deflection and thus a deformation of the piezoelectric layer 6 and thus reduce possible energy generation.
  • the thickness of the piezoelectric layer 6 the thickness of the piezoelectric layer 6
  • piezoelectric layer 6 more rigid or flexible and also more stable or unstable. Taking these aspects into account a layer thickness of less than 300 ⁇ m for the piezoelectric layer 6 and less than 1 mm for the substrate 8 has proven to be favorable. These thick ones can, however
  • FIG. 2 shows a three-dimensional view of an arrangement of three piezoelectric units 3, the piezoelectric units being arranged perpendicular to one another.
  • Each of the three piezoelectric units 3 has a substrate 8 on which a piezoelectric layer 6 is arranged, and integrated electronics 7, which are used for smoothing and
  • the energy harvesting system 1 has three piezoelectric units 3, the piezoelectric layers 6 of which are perpendicular to one another, energy is generated
  • the force component parallel to the normals of the piezoelectric layer 6 is primarily important for the energy generation of a single piezoelectric unit 3, since this is decisive for the deflection of the
  • the piezoelectric layer 6 and thus the generation of energy.
  • the force component parallel to the normal to the layer is important for the deflection, and the generation of energy is therefore due to the orthogonal arrangement of the piezoelectric
  • an acceleration acting on the energy harvesting system 1 can be determined as a function of the direction. From the generated on the piezoelectric layers 6
  • a control module 4 can calculate the acceleration voltages which are dependent on the deflection and an acceleration acting on it.
  • the orthogonal arrangement of the piezoelectric layers 6 makes it possible to determine both the magnitude and the direction of the acceleration.
  • control module 4 With an integrated analog-to-digital converter, since this is able to read out the analog voltage output from the piezoelectric layers 6.
  • the voltage generated by the piezoelectric layer 6 is a rectifier 10, for example a
  • the integrated electronics 7 Converts AC voltage from the piezoelectric layers 6 into a smooth DC voltage.
  • the integrated electronics 7 also have a Zener diode, the possible electrical
  • the voltages are then sent from the rectifiers 10 to a DC voltage converter 11, with a smoothing capacitor 12 connected to the DC voltage converter 11 is upstream and downstream.
  • the DC voltage converter 11 makes it possible to convert the voltages which are coupled out from the rectifiers 10 into another voltage, for example required for the control unit 2, and to bundle this voltage. This enables electrical components on the
  • Control unit 2 that is not directly related to the
  • piezoelectric layers 6 output voltage can be operated to operate.
  • RF module 5 can be provided with a suitable voltage.
  • Control unit 2 a higher electrical power than can be obtained directly via the piezoelectric layers 6, a rechargeable battery or a capacitor for energy storage can be integrated on the control unit 2.
  • the energy that is obtained with the piezoelectric layers 6 can be stored and accumulated.
  • the accumulated energy can then be used, for example, to expand the sensor system.
  • These can be GPS sensors, temperature sensors, force sensors, humidity sensors or any other sensor.
  • the RF module 5 preferably has a power-on reset time with a duration of less than 50 ms.
  • An RF module 5 with a short power-on reset time requires less energy to start up in a functional state. Therefore, RF modules 5 with a short power-on reset time are particularly suitable for integration in an energy harvesting system 1.
  • low-energy Z-Wave, ZigBee or Bluetooth modules are suitable as RF modules 5 because they are not very
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the
  • Transmission power of a Bluetooth module is plotted against time.
  • the Bluetooth module has a startup or power reset time of approximately 5 ms.
  • the Bluetooth module then sends alternately on three channels.
  • a cycle through the channels takes about 1.5 ms.
  • three of the 79 possible channels are used.
  • the number of channels can depend on the required
  • Transmission speed can be adjusted, with a smaller number being more energy-efficient.
  • a particularly preferred embodiment is only sent on a single channel in order to provide an information transmission that is as energetically efficient as possible. Additionally or alternatively, the energy required for sending
  • a protection circuit 17, as shown in Figure 5, for protecting electrical Components are used. This is particularly effective if the rectifier 10 is implemented in an integrated circuit, since an excessive voltage in a
  • a voltage divider which consists of the resistors RI and R2, is connected in parallel to a capacitor C2, which is connected in series with a transistor Ml.
  • a voltage is tapped between the resistors RI and R2 and electrically connected to the gate.
  • the voltage divider and the transistor Ml are matched to one another so that an excessive voltage that may lead to a
  • the resistance RI is ten times as large as the resistance R2. Accordingly, an electric charge flows to the capacitor C2 and the excessive voltage is lowered. This way one becomes parallel to it
  • a MOSFET can preferably be used as the transistor M1.
  • a protection circuit 17 is also shown in FIG. In this protective circuit 17, too, a voltage divider, consisting of the resistor RI and the resistor R2, is connected in parallel to a capacitor CI, which is connected in series with a transistor. In contrast to
  • this is a power MOSFET Ql with eight pins, which is suitable for higher powers is.
  • the gate G which is on the third pin, is connected to the
  • the two sources S1 and S2 are connected to the fourth and seventh pin and are connected to the negative conductor.
  • FIG. 7 shows the layout of a printed circuit board 18 on which the circuit shown in FIG. 5 is arranged.
  • the circuit board 18 has the shape of a sector of a circle
  • Circuit board 18 can be fastened by means of a screw connection via a through-hole which is set on the round edge of the circuit board 18. Pointing to the round edge is
  • FIG. 8 shows two integrated electronics 7, each of which is installed on a circuit board 18 in the shape of a circular sector, and which are connected to one another in parallel to form a group.
  • the piezoelectric layers 6 can usually provide a sufficiently high voltage, while the generated current intensity can be too low for some applications.
  • Electronics 7 are added together and thus increased. Depending on the generated electrical currents and voltages of the piezoelectric layers 6, several integrated circuits 7 are connected to one another in series or in parallel to form groups. A serial or parallel connection of several groups with one another can also be useful in order to obtain a required voltage or a
  • FIG. 9 also shows a circuit board 18 which, like circuit board 18 in FIG. 7, has a circular sector shape in order to adapt it to the shape of a frame 14.
  • the printed circuit board 18 has two through-holes on the rounded edge, with which it can be fixed to the framework 14 by screwing.
  • two integrated electronics 7 are installed on the circuit board 18 in FIG. 9, which process the electrical energy from two piezoelectric disks, the two integrated electronics 7 in parallel
  • Electronics 7 is not an integrated circuit for
  • the integrated electronics 7 are via a circuit with four discrete individual diodes D1-D4
  • a Zener diode or a protective circuit 17 can be dispensed with.
  • FIG. 10 shows the circuit diagram of the printed circuit board 18 shown in FIG. 9. These are two bridge rectifiers connected in parallel, each made up of four discrete
  • Individual diodes D1-D4 are interconnected in such a way that two serially interconnected individual diodes D1-D4 are interconnected in parallel with one another.
  • the tension to be smoothed out from the piezoelectric layers 6 is fed between the serially connected individual diodes D1-D4.
  • the forward direction of the diodes can be positive, and opposite to the forward direction, negative
  • DC voltage can be tapped. It can be advantageous to add a capacitor in parallel to the bridge rectifier or even to each discrete individual diode D1-D8
  • Rectifier diodes or signal diodes are particularly suitable as discrete individual diodes D1-D8.
  • FIG. 11 An arrangement is shown in which 24
  • Piezoelectric layers 6, similar to those in FIG. 1, are fastened in a framework 14.
  • the frame 14 consists of three interlocking circles which are each perpendicular to one another. It preferably consists of one
  • piezoelectric layers 6 are each within one of the three perpendicular circles
  • piezoelectric layer 6 receives.
  • FIG. 12 shows an arrangement in which 24 piezoelectric units 3 are fastened in the framework 14.
  • a limiter 9 and the internal electronics 7 are attached to each of the piezoelectric layers 6.
  • the limiters 9 are designed to the deflection of the
  • the limiters 9 in FIG. 5 span over half of the piezoelectric layer 6 with a spacing of approximately 1 mm, but they can cover the whole or only a quarter of the piezoelectric layer Cover 6 with a certain distance.
  • the limiter 9 reduces the mechanical load on the piezoelectric layers 6 in the event of strong forces, but also in the
  • control unit 2 here
  • the framework 14 with the integrated energy harvesting system 1 can be closed with cover parts 15 and can additionally be covered with a protective layer, for example made of leather, rubber or plastic.
  • a protective layer for example made of leather, rubber or plastic.
  • the frame 14 of the shock sensor 13 can, as shown in FIG. 14, be reinforced.
  • the shock sensor 13 is therefore suitable for even greater forces and acceleration, with which it can also generate a greater amount of energy.
  • Cross struts 19 which are arranged at the angles of the interlocking circles and connect them, realized.
  • the cross struts 19 themselves are also round and wise
  • FIG. 15 shows a holder 20 for the central control unit 2 which is suitable for this purpose
  • the central control unit 2 can be attached to the composite surface which has two perforations.
  • FIG. 16 shows a further embodiment of a cover part 15.
  • This embodiment does not have the shape of an eighth of a spherical surface, but rather half a spherical surface.
  • the spherical frame 14 of the shock sensor 13 can therefore already be encased with two cover parts 15 and does not require eight cover parts 15, as in the first embodiment. This makes the shock sensor 13 more robust.
  • the cover part 15 has through-holes with depressions, via which it is screwed to the framework 14 by means of the through-holes in the cross struts 19 of the framework 14.
  • the cover part 15 On the part of the cover part which is located above the holder 20 of the central control unit 2 of FIG. 15, the cover part 15 has a plurality of through-bores. This ensures that the signal of the RF module 5 contained in the control unit 2 experiences less attenuation.
  • Figure 7 shows in a schematic sketch the
  • the shock sensor 13 can be expanded with other sensors and can therefore be used in a wide variety of fields of application

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Es wird ein Energy Harvesting System (1) beschrieben, das mindestens zwei piezoelektrische Einheiten (3) und eine zentrale Steuereinheit (2) aufweist. Die piezoelektrischen Einheiten (3) weisen jeweils eine piezoelektrische Schicht (6) und eine integrierte Elektronik (7) auf, wobei die integrierte Elektronik (7) die piezoelektrische Schicht (6) kontaktiert. Die piezoelektrischen Schichten (6) sind gewinkelt zueinander angeordnet. Elektrische Bauteile, die zur Glättung der in einer piezoelektrischen Schicht (6) erzeugten Spannung dienen, sind in der integrierten Elektronik (7) verbaut. Die integrierten Elektroniken (7) kontaktieren die zentrale Steuereinheit (2), die wiederum ein Steuermodul (4) aufweist, und dazu ausgelegt ist, elektrische Energie von den piezoelektrischen Einheiten (3) zu sammeln, wobei das Steuermodul (4) dazu ausgelegt ist eine wechselseitige elektrische Bedämpfung der piezoelektrischen Einheiten (3) zu minimieren oder zu unterbinden.

Description

Beschreibung
Energy Harvesting System
Die Erfindung betrifft ein Energy Harvesting System.
Die voranschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen verringert nicht nur die Ausmaße der Bauteile sondern führt auch zu einer Reduktion der benötigten
elektrische Energie. Daher ist es heutzutage möglich immer mehr Funktionen in einem Gerät, wie etwa dem Smartphone, zu integrieren und darüber hinaus elektrische Geräte in einer mobilen Ausführung anzubieten, die vor einigen Jahren noch nicht denkbar gewesen sind. Nichtsdestotrotz benötigen diese mobilen Geräte einen Akku oder eine Batterie als
Energiequelle, die regelmäßig ausgetauscht oder mit einer externen Stromversorgung aufgeladen werden müssen.
Energy Harvesting, bei dem geringe Mengen an Energie aus der Umgebung gewonnen werden, hat sich als möglicher
Lösungsansatz etabliert, um eine Energieversorgung von energetisch unabhängigen Geräte zu erlauben. Das bekannteste makroskopische Beispiel sind mechanische Armbanduhren, die über eine Unwucht eine mechanische Energie vom Träger nutzen, um die Uhr zu betreiben. Im Mikroskopischen ist die
Photovoltaik ein bekanntes Beispiel mit der ein elektrisches Gerät, zum Beispiel eine Wegleuchte, unabhängig vom Stromnetz betrieben werden kann. Eine weniger bekannte mikroskopische Alternative ist den piezoelektrischen Effekt auszunutzen, um Energiegewinnung aus der Umgebung zu realisieren. Durch
Verformung des piezoelektrischen Materials, etwa wegen Druck oder Vibrationen, kann am piezoelektrischen Material eine elektrische Spannung abgegriffen werden, die zur Energieversorgung verwendet werden kann.
Daher ist ein piezoelektrisches Energy Harvesting System, das in mehrere Raumrichtungen eine gute Energieausbeute aufweist, wünschenswert .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
piezoelektrisches Energy Harvesting System bereitzustellen, das in mehrere Raumrichtungen eine vorteilhafte
Energieeffizienz besitzt.
Die vorliegende Aufgabe wird durch das Energy Harvesting System nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausführungen und potentielle Anordnungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein Energy Harvesting System beschrieben, das
mindestens zwei piezoelektrische Einheiten und eine zentrale Steuereinheit aufweist. Die piezoelektrischen Einheiten weisen wiederum jeweils eine piezoelektrische Schicht und eine integrierte Elektronik auf, wobei die integrierte
Elektronik die piezoelektrische Schicht kontaktiert. Die piezoelektrischen Schichten sind gewinkelt zueinander
angeordnet. Elektrische Bauteile, die zur Glättung der in einer piezoelektrischen Schicht erzeugten Spannung dienen, sind in der integrierten Elektronik verbaut. Die integrierten Elektroniken kontaktieren die zentrale Steuereinheit, die wiederum ein Steuermodul aufweist, und dazu ausgelegt ist, elektrische Energie von den piezoelektrischen Einheiten zu sammeln, wobei das Steuermodul dazu ausgelegt ist, eine wechselseitige elektrische Bedämpfung der piezoelektrischen Einheiten zu minimieren oder zu unterbinden. Es kann somit ein Energy Harvesting System gebaut werden, dass aus mehreren piezoelektrischen Einheiten, die als
Harvesting Elemente genutzt werden, besteht, wobei die jeweiligen piezoelektrischen Einheiten relativ zueinander in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein können. Eine an den piezoelektrischen Einheiten angebrachte Elektronik sowie eine zentrale Steuerungselektronik dienen im Zusammenspiel dazu in jedem Fall - also egal aus welcher Richtung das
Gesamtsystem angeregt wird - die maximal mögliche elektrische Energie zu gewinnen. Dabei kann eine wechselseitige
elektrische Bedämpfung der einzelnen Piezoelemente
unterbunden werden.
Diese Maximale Energie kann dann insbesondere für den
Systembetrieb, ebenso wie zur Signalübermittlung oder
Zwischenspeicherung, verwendet werden.
Unter dem Begriff „gewinkelt" kann hier eine Anordnung verstanden werden, bei dem die betreffenden Schichten in einem beliebigen, jedoch von 0° verschiedenen Winkel
zueinander angeordnet sind. Als Winkel zwischen den Schichten kann dabei ein Winkel betrachtet werden, der von den
jeweiligen Flächennormalen der Oberflächen der Schichten eingeschlossen wird. Die zueinander gewinkelten Schichten können somit beliebig zueinander angeordnet sein, wobei lediglich eine parallele Anordnung der Schichten
ausgeschlossen ist. Vorzugsweise sollte der Winkel zwischen den beiden gewinkelt zueinander angeordneten Schichten zumindest 10°, besonders vorzugsweise zumindest 45° betragen.
Die Energiemenge, die eine piezoelektrische Schicht erzeugen kann, ist stark abhängig vom Grad der Verformung des piezoelektrischen Materials und damit eng an die benutzte Geometrie gebunden. Besonders in Geometrien, aus denen eine anisotrope Biegsamkeit folgt, wie etwa einer
piezoelektrischen Schicht, ist die mögliche gewonnene Energie stark abhängig von der Richtung einer einwirkenden Kraft. So kann bei einer piezoelektrischen Schicht eine Kraft mit einer Richtung parallel zu der Normal zu einer starken Verformung, und somit starken Energiegewinnung, führen, wogegen eine gleich große Kraft senkrecht zur Normalen keine Verformung, und damit keine Energiegewinnung, erzeugt.
Indem jede piezoelektrische Einheit eine eigene integrierte Elektronik aufweist, die die in der piezoelektrischen Schicht erzeugte Spannung glättet und begrenzt, kann die erzeugte, oft stark schwankende, Spannung direkt für weitere
elektrische Bauteile nutzbar gemacht werden und die weiteren elektrischen Bauteile vor einer Spannungsspitze geschützt werden. Das Steuermodul in der Steuereinheit kann in erster Linie zur Unterbindung oder Minimierung einer wechselseitigen elektrischen Bedämpfung der piezoelektrischen Einheiten genutzt werden.
Die zwei piezoelektrischen Schichten können senkrecht
zueinander stehen. Mindestens zwei piezoelektrischen
Schichten nicht nur gewinkelt, sondern senkrecht zueinander anzuordnen ist daher besonders vorteilhaft, da die
Energiegewinnung nicht nur von der Richtung der Kraft
bezüglich einer der Normalen einer piezoelektrischen Schicht abhängt, sondern von der Richtung der Kraft bezüglich einer Ebene, die von den zwei Normalen der zwei piezoelektrischen Schichten aufgespannt wird. Wirkt die Kraft innerhalb der Ebene ist die Energiegewinnung richtungsunabhängig von der Kraft. Auf diese Weise kann beispielsweise bei Krafteinflüssen und Bewegungen, die in einer Ebene ablaufen, wie etwa die Rotation eines Rads, die Energiegewinnung stabil gehalten werden.
Das Energy Harvesting System kann eine dritte
piezoelektrische Einheit aufweisen, deren piezoelektrische Schicht jeweils gewinkelt zu den piezoelektrischen Schichten der ersten beiden piezoelektrischen Einheiten ist. Somit kann aus einer weiteren dritten Raumrichtung elektrische Energie gewonnen werden.
Wird die dritte piezoelektrische Schicht senkrecht zu den ersten beiden piezoelektrischen Schichten angeordnet, ist es möglich die maximale Energie aus der weiteren dritten
Raumrichtung zu sammeln. Sind alle drei piezoelektrischen Schichten orthogonal zueinander angeordnet, kann aus jeder Raumrichtung die maximale Energie gesammelt werden.
Die orthogonale Anordnung der drei piezoelektrischen
Schichten ermöglicht es, die Energiegewinnung komplett richtungsunabhängig vom Krafteinfluss auf das System machen.
Zusätzlich kann das Energy Harvesting System weitere
piezoelektrische Einheiten aufweisen, deren piezoelektrische Schicht gewinkelt zu den anderen piezoelektrischen Einheiten ist. Auf diese Weisen kann noch mehr Energie aus mechanischen Stößen oder Schwingungen gewonnen werden.
Die piezoelektrischen Schichten können kreissegmentförmig sein. Kreissegmentförmige piezoelektrische Schichten
ermöglichen eine lückenlose Anordnung von mehreren Schichten in einer Ebene, so dass die gesamte Fläche optimal zur
Energieerzeugung genutzt werden kann. Ferner können die piezoelektrischen Schichten in drei sich schneidenden kreisförmigen Ebenen angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform können die drei Ebene sich in einem zueinander rechten Winkel schneiden. Somit wird die Energieerzeugung richtungsunabhängig, da die Summe der erzeugten Energien aus den piezoelektrischen Schichten in den drei Ebenen unabhängig von der Ausrichtung des Energy
Harvesting Systems gleich ist.
Eine Befestigung der piezoelektrischen Einheiten und der Steuereinheit in einem Gerüst kann zweckdienlich sein, um die Mobilität des Energy Harvesting Systems zu erhöhen.
Vibrationen und Krafteinwirkungen, die auf das Gerüst wirken, werden auf die piezoelektrischen Schichten übertragen, wodurch diese elektrische Energie erzeugen können. Eine
Möglichkeit ist eine Befestigung mit Schrauben, die selbst bei dauerhaften Vibrationen eine feste Verbindung
bereitstellt . Eine weitere Möglichkeit ist eine Befestigung mit einem Kleber. Abhängig von den zu erwartenden
Krafteinwirkungen auf das Energy Harvesting System sollte das Gerüst stabil genug sein, um diese auch wiederholt schadlos standzuhalten. Eine Verstärkung des Gerüsts mit
Verstärkungselemente, vor allem auch an Winkeln, kann die Stabilität und Robustheit des Gerüsts weiter erhöhen. Als Material können, ohne andere Materialien auszuschließen, Kunststoffe und Metalle verwendet werden.
Eine Ausgestaltung des Gerüsts kann kugelförmig sein. Eine Kugelform erlaubt dem Energy Harvesting System beispielsweise über eine Rollbewegung elektrische Energie zu generieren. Außerdem eignet sich ein kugelförmiges Energy Harvesting System auch für den Einsatz in einem Sportball, wie etwa einem Fußball, einem Basketball, einem Tennisball, einem Baseball oder auch einer Bowlingkugel.
Ferner können die mindestens zwei integrierten Elektroniken miteinander parallel oder seriell zu einer Gruppe verschalten sein. Abhängig von der Ausgestaltung und dem Material der piezoelektrischen Schichten wird die erzeugte elektrische Leistung mit einer unterschiedlichen elektrischen Spannung und elektrischen Strom ausgegeben. Werden die integrierten Elektroniken parallel zu einer Gruppe verschalten, kann der ausgegebene elektrische Strom der einzelnen integrierten Elektroniken addiert und insgesamt erhöht werden. In einer seriellen Verschaltung der integrierten Elektroniken werden hingegen die ausgegebenen Spannungen der integrierten addiert und damit insgesamt erhöht.
Überdies kann das Energy Harvesting System mehrere
verschaltete Gruppen von integrierten Elektroniken aufweisen, wobei die Gruppen von integrierten Elektroniken miteinander parallel oder seriell verschaltet sein können. Analog zu einzelnen integrierten Elektroniken, die miteinander seriell oder parallel verschalten werden, kann der ausgegebene Strom von mehreren Gruppen addiert werden, falls die einzelnen Gruppen parallel miteinander verschalten sind, und die ausgegeben Spannung, falls die einzelnen Gruppen seriell miteinander verschalten werden.
Die integrierte Elektronik und/oder die Steuereinheit können elektrische Bauteile zur Begrenzung einer in der
piezoelektrischen Schicht erzeugten elektrischen Spannung aufweisen. Somit können verbaute elektrische Bauteile vor Spannungsspitzen, die sie zerstören könnten, geschützt werden . Weiterhin kann die integrierte Elektronik einen Gleichrichter aufweisen. Bei dem aus den piezoelektrischen Schichten ausgegebenen Strom handelt es sich um Wechselstrom, dessen Handhabe aufwendiger ist als bei Gleichstrom. Dank des
Gleichrichters kann die Wechselspannung von den
piezoelektrischen Schichten in eine glatte Gleichspannung umgewandelt werden, die anschließend von anderen elektrischen Bauteilen genutzt werden kann. Daher kann es zielführend sein, einen Gleichrichter, der Wechselstrom zu Gleichstrom umwandelt, in die integrierte Elektronik zu implementieren.
Es ist möglich den Gleichrichter aus einer Verschaltung von diskreten Einzeldioden aufzubauen. Diskrete Einzeldioden sind relativ unempfindlich gegen hohe Ströme und Spannungen, womit ein Gleichrichter, der diese einsetzt, ebenfalls
unempfindlich gegen eine Überlastung wird.
Andererseits ist es ebenfalls möglich den Gleichrichter in einer integrierten Schaltung zu integrieren und eine Z-Diode zu der integrierten Schaltung parallel zu schalten. Im
Gegensatz zu diskreten Einzeldioden sind integrierte
Schaltungen empfindlich gegenüber zu hohen Spannungen. Sie können leicht durch eine Überlastung beschädigt werden. Die Z-Diode wirkt als eine Art Sicherung für die integrierte Schaltung. Bei überhöhten Spannungen sorgt sie für eine
Entlastung der integrierten Schaltung und schützt sie somit vor Schäden. Auch eine mögliche Rückkoppelung von
ausgegebener Spannung an den Gleichrichter und die
piezoelektrische Schicht wird von der Z-Diode unterdrückt.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Gleichrichter in einer integrierten Schaltung integriert sein und eine Schutzschaltung parallel zu der integrierten Schaltung geschalten werden. Die Schutzschaltung kann aus einem
Spannungsteiler, einem Transistor und einem Kondensator bestehen, wobei der Transistor und der Kondensator in Reihe geschalten sind und der Spannungsteiler parallel zum
Transistor und dem Kondensator geschalten sein kann.
Der Transistor kann hierbei von einer aus dem Spannungsteiler entnommenen Spannung gesteuert werden. Der Spannungsteiler sollte hier so ausgelegt sein, dass der Transistor
durchgeschalten wird, bevor die integrierte Schaltung
beschädigt wird. Die überschüssige Ladung aus den
piezoelektrischen Schichten wird folglich auf dem in Reihe geschalteten Kondensator gespeichert und kann nach einer Spannungsspitze genutzt werden. Dementsprechend kann die beschriebene Schutzschaltung auch einen höheren Wirkungsgrad als die Schaltung mit Z-Diode erreichen, da überhöhte
Spannungsspitzen genutzt werden können. Darüber hinaus ist der Widerstand des Kondensators für transiente
Spannungsspitzen gering, wodurch die erzeugte Ladung besser von den piezoelektrischen Schichten fließen kann. Dadurch wird die elektrische Dämpfung der piezoelektrischen Schicht gemindert und der Wirkungsgrad des Energy Harvesting Systems gesteigert .
Die Steuereinheit kann ein RF-Modul aufweisen. Somit die Steuereinheit Informationen kabellos an einen Empfänger schicken .
Die Steuereinheit und das RF-Modul können dazu ausgelegt sein mit der gesammelten elektrischen Energie aus dem Energy
Harvesting System betrieben zu werden. Das bedeutet, dass sowohl die gesamte Energie als auch die Spannung und der Strom in einem für die Steuereinheit und RF-Modul nutzbaren Bereich bereitgestellt werden.
Das Energy Harvesting System kann energetisch komplett autark sein, was bedeutet, dass alle elektrischen Bauteile im System nur mit der aus den piezoelektrischen Schichten gewonnenen Energie betrieben werden. Dies ermöglicht komplett auf eine externe Energieversorgung zu verzichten, womit das Energy Harvesting System unabhängig und mobil ist.
Weiterhin können die piezoelektrischen Schichten auf einem Substrat angeordnet sein, das dünner als 1 mm ist. Auf der einen Seite erhöht ein Substrat die mechanische Stabilität der piezoelektrischen Schichten, womit diese eine größere Krafteinwirkung unbeschadet überstehen. Auf der anderen Seite kann ein Substrat, insbesondere wenn es zu steif, eine
Auslenkung und damit eine Verformung der piezoelektrischen Schicht behindern und somit eine mögliche Energiegewinnung mindern. Ein Dicke von weniger als 1 mm hat sich als
vorteilhaft erwiesen, um einen guten Kompromiss zwischen der Stabilität und Biegsamkeit zu erreichen. Vorzugsweise sollte die Dicke des Substrats nicht geringer als 0,2 mm sein.
Das Substrat kann darüber hinaus elektrisch leitfähig sein. Somit kann die piezoelektrische Schicht direkt über das
Substrat kontaktiert werden und das Substrat kann auf diese Weise als Elektrode genutzt werden.
Die piezoelektrische Schicht kann an die Form des Substrats angepasst sein. Dadurch ist es möglich, eine möglichst große Fläche des Substrats mit einer piezoelektrischen Schicht zu bedecken und die Energiegewinnung zu optimieren. Das Substrat selbst kann viereckig, dreieckig, kreisförmig oder kreissektorförmig sein oder eine beliebige andere Form haben. Zum einen kann so die Substratform und damit auch die Form der piezoelektrischen Schicht für die geometrischen
Anforderungen einer Anwendung angepasst werden. Zum anderen kann über die Form und Größe der piezoelektrischen Schichten die ausgekoppelte Spannung mit den Anforderungen der
nachstehenden elektrischen Bauteile abgestimmt werden.
Ansonsten können die piezoelektrischen Einheiten Begrenzer aufweisen, die dazu ausgelegt sind den Ausschlag der
piezoelektrischen Schichten zu begrenzen. Ein Begrenzer ist hierbei beispielsweise ein Teil, das die gesamte, die halbe oder auch nur ein Viertel der piezoelektrischen Schicht mit einem gewissen Abstand überdeckt. Der Begrenzer ist dazu ausgestaltet, die Amplitude der Verformung bzw. Auslenkung der piezoelektrischen Schicht mechanisch zu begrenzen, beispielsweise indem die piezoelektrische Schicht an den Begrenzer anschlägt, wenn die maximal zulässige Verformung erreicht ist. Ca. 1 mm Abstand zu der piezoelektrischen
Schicht auf einer Schichtlänge von etwa 10 mm haben sich als vorteilhaft erwiesen. Durch den Begrenzer wird die maximale Auslenkung der piezoelektrischen Schicht begrenzt und damit die mechanische Belastung für die piezoelektrische Schicht bei starken Krafteinflüssen aber auch für den Dauerbetrieb eingeschränkt. Zusätzlich lassen sich durch den Begrenzer starke Spannungsspitzen an den piezoelektrischen Schichten, die bei einer starken Verformung auftreten, vermeiden.
Die Steuereinheit kann neben dem Steuermodul und dem RF-Modul noch einen Gleichspannungswandler aufweisen, an dem die integrierten Elektroniken angeschlossen sind. Dies ermöglicht die Gleichspannung die aus den integrierten Elektroniken ausgekoppelt werden in einer andere, beispielsweise für das Steuer- oder RF-Modul benötigte, Spannung umzuwandeln.
Dadurch ist es auch möglich elektrische Bauteile, die nicht direkt mit der von den piezoelektrischen Schichten
ausgegebenen Spannung betrieben werden können, zu betreiben.
Darüber hinaus kann sowohl die integrierte Elektronik als auch die Steuereinheit einen Glättungskondensator aufweisen. Ist das Energy Harvesting System ohne Gleichspannungswandler kann ein Glättungskondensator in der der integrierten
Elektronik oder der Steuereinheit Spannungsschwankungen mindern und die Spannungsverlauf so glätten. Falls ein
Gleichspannungswandler in die Steuereinheit integriert ist, kann auf Grund einer Kapazität eines ersten Kondensators auf der integrierten Elektronik, der dem Gleichspannungswandler elektrisch vorgeschalten ist, und der Kapazität eines zweiten Kondensators auf der Steuereinheit, die dem
Gleichspannungswandler elektrisch nachgeschalten ist, das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgansspannung angepasst werden .
Das Steuermodul kann ein System-on-a-Chip (SoC) oder ein Mikrokontroller sein. Beide Optionen ermöglichen, Abläufe und Funktionen im Energy Harvesting System zu programmieren und erlauben es weiterhin das Energy Harvesting System mit anderen elektrischen und programmierbaren Bauteilen zu erweitern. Überdies sind SoC und Mikrokontroller dazu
geeignet, RF-Module anzusteuern.
Des Weiteren kann das RF-Modul eine Power-on Reset Zeit mit einer Dauer von weniger als 50 ms aufweisen. Ein RF-Modul mit einer so geringen Power-on Reset Zeit benötigt wenig Energie, um in einen funktionsfähigen Zustand hochzufahren. Daher sind gerade RF-Module mit einer kurzen Power-on Reset Zeit geeignet für eine Integration in ein Energy Harvesting
System. Ausdrücklich sind niederenergetische Z-Wave-, ZigBee- oder Bluetooth-Module als RF-Modul geeignet, da sie wenig Energie brauchen und über ein Steuermodul ansteuerbar sind.
Falls das RF-Modul ein Bluetooth-Sender ist,
kann der Bluetooth-Sender dazu ausgestaltet sein, die Anzahl der Kanäle anzupassen. Nach dem Bluetooth Standard gibt es 79 Kanäle mit jeweils 1MHz Frequenzbreite. Für das Versenden von kleinen Paketen wird nicht die gesamte Frequenzbreite
benötigt, womit durch ein Anpassen der Anzahl der genutzten Bluetooth Kanäle der Energieverbrauch des Energy Harvesting Systems vermindert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Bluetooth- Sender auf einem einzigen Kanal senden. Dies ist die
geringste Anzahl an Kanälen, bei dem weiterhin eine
Kommunikation zwischen dem Bluetooth Sender und einem
Bluetooth Empfänger möglich ist. Demzufolge kann abhängig von der Anzahl der Kanäle, mit nur einem Kanal am meisten Energie eingespart werden.
Ferner kann bei einem RF-Modul die Zeitdauer eines
Sendesignals, die Sendeleistung und Zwischensignalpause so eingestellt sein, dass möglichst wenig Energie verbraucht wird. Dies kann je nach RF-Modul im Einzelnen unterschiedlich umgesetzt werden. Die Sendeleistung kann beispielsweise abhängig von einer Empfangsstärke in so weit gemindert werden, dass weiterhin eine zuverlässige Verbindung gegeben ist. Auch Zeitdauer eines Sendesignals kann insofern
gemindert und eine Zwischensignalpause erhöht werden, dass eine Informationsübertragung nicht gestört wird, um den
Energieverbrauch zu reduzieren. Ist ein Empfänger vom RF- Modul konfigurierbar, kann dieser an das Sendeverhalten des RF-Moduls angepasst werden, und dadurch der Energieverbrauch bei gesicherter Informationsübertragung gemindert werden.
Die Steuereinheit kann zusätzlich eine wieder aufladbare Batterie oder einen Kondensator zur Energiespeicherung aufweisen. Somit kann die Energie, die mit den
piezoelektrischen Schichten gewonnen wird, gespeichert und akkumuliert werden. Dies ermöglicht es, mit dem Energy
Harvesting System auch Anwendungen und elektrische Bauteile zu bedienen, die eine größere elektrische Leistung benötigen, oder die gesammelte Energie zu einem späteren Zeitpunkt zu verwenden .
Außerdem kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet sein, anhand der in den piezoelektrischen Schichten erzeugten
Spannungen eine auf das Energy Harvesting System wirkende Beschleunigung richtungsabhängig zu bestimmen. Da eine
Auslenkung der piezoelektrischen Schichten in erste Linie proportional zu einer auf sie wirkenden Beschleunigung ist, kann aus der an den piezoelektrischen Schichten erzeugten Spannung auf eine Beschleunigung geschlossen werden. Da die piezoelektrischen Schichten senkrecht zueinander angeordnet sind, kann sowohl der Betrag als auch die Richtung der
Beschleunigung bestimmt werden. Werden die piezoelektrischen Schichten als Beschleunigungssensor benutzt, ist es
vorteilhaft ein Steuermodul mit einem integrierten Analog-to- Digital-Umsetzer zu benutzen, da dieser die analoge
Spannungsausgabe von den piezoelektrischen Schichten auslesen kann .
Zusätzlich kann die Steuereinheit weitere Sensorik aufweisen. Je nach Zielsetzung kann das Energy Harvesting System für viele Anwendungen zweckdienlich, die eine erweiterte Sensorik benötigen. Hierbei kann es sich beispielsweise um GPS- Sensoren, Temperatursensoren, Kraftsensoren,
Luftfeuchtigkeitssensor oder irgendwelche anderen Sensor handeln .
Ferner kann die piezoelektrische Schicht eine Polymerschicht, eine Keramikschicht, eine Keramikdünnschicht, eine
Mehrschichtkeramik oder eine monolithische Keramik sein. So lange die Schicht piezoelektrisch ist, ist sie prinzipiell für einen Einsatz in einem Energy Harvesting System geeignet. Eine Polymer-oder Keramikdünnschicht haben den Vorteil gegenüber anderen piezoelektrischen Schichten flexibler zu sein. Mit einer monolithischen Keramik, die piezoelektrisch ist, kann die Spannungsausgabe der piezoelektrischen Schicht angepasst werden, indem die monolithische Verschaltung verändert wird.
Die piezoelektrische Schicht kann dünner als 300 gm sein. Abhängig von der Dicke der piezoelektrischen Schicht, aber auch von anderen geometrischen und materiellen Faktoren, wird die piezoelektrische Schicht steifer oder flexibler bzw.
stabiler oder labiler. Darüber hinaus kann die Flexibilität der piezoelektrischen Schicht, aber auch die Flexibilität des Substrats, auf Grund einer Anordnung von der
piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat stark verändert werden. Unter diesen Gesichtspunkten hat sich eine
Schichtdicke von weniger als 300 gm für die piezoelektrische Schicht als günstig erwiesen, da eine dickere
piezoelektrische Schicht die Biegsamkeit eines dünnen
Substrats negativ beeinflusst. Ein Energy Harvesting System nach der vorliegenden Erfindung kann in einem Schocksensor integriert sein, indem das Energy Harvesting System beispielsweise mit einem Gerüst verbunden ist, wobei das Energy Harvesting System dazu ausgelegt ist, einen Aufprall oder Schock zu detektieren und diese
Information an einen Empfänger zu senden. Ein solcher energetisch autarker Schocksensor ist dazu in der Lage, eine starke Beschleunigung, wie durch einen Aufprall gegeben, zu detektieren und einem Empfänger, wie beispielsweise einem Smartphone, zu senden, ohne auf eine externe
Energieversorgung oder einer Batterie abhängig zu sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schicht, die auf einem Substrat angeordnet ist.
Figur 2 zeigt eine räumliche Ansicht von einer Anordnung von drei piezoelektrischen Einheiten.
Figur 3 zeigt in einem Strukturdiagramm eine mögliche
Anordnung der elektrischen Bauteile aus der integrierten Elektronik und der Steuereinheit.
Figur 4 ist ein schematisches Diagramm, wobei die
Sendeleistung eines RF-Moduls gegenüber der Zeit aufgetragen ist .
Figur 5 zeigt ein Schaltbild einer Schutzschaltung.
Figur 6 zeigt ein Schaltbild einer Schutzschaltung, bei dem der Transistor ein MOSFET mit acht Pins ist. Figur 7 zeigt ein Layout einer Leiterplatte der
Schutzschaltung von Figur 5.
Figur 8 zeigt zwei integrierte Elektroniken, die parallel geschalten sind.
Figur 9 zeigt eine Leiterplatte, auf der zwei integrierte Elektroniken angeordnet sind, wobei die Gleichrichter aus acht diskreten Einzeldioden aufgebaut sind.
Figur 10 zeigt ein Schaltbild, der in Figur 8 und 9 gezeigten integrierten Elektroniken.
Figur 11 zeigt eine Anordnung, in der 24 piezoelektrische Schichten in einem Gerüst befestigt sind.
Figur 12 zeigt eine Anordnung, in der 24 piezoelektrische Einheiten in einem Gerüst befestigt sind.
Figur 13 zeigt einen offenen Schocksensor, in dem ein Energy Harvesting System nach der vorliegenden Erfindung integriert ist .
Figur 14 zeigt ein kugelförmiges Gerüst, das an den Winkeln verstärkt ist.
Figur 15 zeigt eine Halterung für eine zentrale
Steuereinheit .
Figur 16 zeigt eine halbkugelförmige Verschalung für ein Gerüst mit Löchern. Figur 17 zeigt in einer schematischen Skizze die Funktionsweise eines Schocksensors.
Gleiche Elemente, ähnliche oder augenscheinlich gleiche
Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den
Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine piezoelektrische
Schicht 6, die auf einem Substrat 8 angeordnet ist und für ein Energy Harvesting System 1 nach der vorliegenden
Erfindung geeignet ist. Hier wurde die piezoelektrische
Schicht 6 mit einem Klebeverfahren auf das Substrat 8 befestigt, es ist aber auch möglich die piezoelektrische Schicht 6 direkt auf das Substrat 8 abzuscheiden oder
anderweitig zu befestigen.
Die piezoelektrische Schicht 6 wurde an den
kreissektorförmigen Umriss des Substrats 8 angepasst, um eine möglichst große Fläche des Substrats 8 mit einer
piezoelektrischen Schicht 6 zu bedecken und somit die
Energiegewinnung zu optimieren. Das Substrat 8 weist Löcher auf, die zur Befestigung des Substrats 8, beispielsweise mit Schrauben, dienen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 8 zwar kreissektorförmig, weil es an Bedürfnisse einer Anwendung angepasst wurde, es kann aber eine beliebige andere Form haben. Darüber hinaus ist es möglich, über die Form und Größe der piezoelektrischen Schichten 6 die
ausgegebene Spannung zu variieren und an die Anwendung anzupassen .
Die in Figur 1 gezeigte piezoelektrische Schicht 6 ist eine PZT-5H Keramik-Schicht, jedoch ist es ebenso möglich, die piezoelektrische Schicht 6 aus einer anderen
piezoelektrischen Keramik herzustellen, oder eine
Keramikdünnschicht, eine Mehrschichtkeramik, eine
monolithische Keramikschicht oder eine Polymerschicht zu benutzen. Polymerschichten oder Keramikdünnschichten haben bezüglich den meisten anderen piezoelektrischen Schichten 6 den Vorteil, dass sie besonders flexibel sind. Die
Überlegenheit einer monolithischen Keramikschicht gegenüber normalen piezoelektrischen Schichten 6 liegt darin, dass die Spannungsausgabe angepasst werden kann, indem die
monolithische Verschaltung in der Keramik anders modelliert wird .
Das Substrat 8 ist aus Stahl und daher elektrisch leitfähig. Ist die piezoelektrische Schicht 6, wie in Figur 1 gezeigt, direkt auf einem leitenden Substrat 8 angeordnet, kann die piezoelektrische Schicht 6 über das Substrat 8 kontaktiert werden, indem das Substrat 8 als eine Elektrode verwendet wird. Außer Stahl könnten auch andere Metalle wie
beispielsweise Cu, Fe oder Al, aber auch andere
nichtmetallische Leiter, verwendet werden.
Die in Figur 1 gezeigte PZT-5H Schicht ist 300 gm dick und das Stahlsubstrat 400 gm dick. Einerseits erhöht ein Substrat 8 die mechanische Stabilität der piezoelektrischen Schichten 6, womit diese eine größere Krafteinwirkung unbeschadet überstehen. Andererseits kann ein Substrat 8, insbesondere wenn es zu steif, eine Auslenkung und damit eine Verformung der piezoelektrischen Schicht 6 behindern und somit eine mögliche Energiegewinnung mindern. Zugleich wird abhängig von der Dicke der piezoelektrischen Schicht 6 die
piezoelektrische Schicht 6 steifer oder flexibler und auch stabiler oder labiler. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte hat sich eine Schichtdicke von weniger als 300 pm für die piezoelektrische Schicht 6 und weniger als 1 mm beim Substrat 8 als günstig erwiesen. Diese Dicken können sich aber
abhängig vom verwendeten Material und deren Elastizität stark ändern .
In Figur 2 wird eine räumliche Ansicht von einer Anordnung von drei piezoelektrischen Einheiten 3 gezeigt, wobei die piezoelektrischen senkrecht zueinander angeordnet sind. Jede der drei piezoelektrischen Einheiten 3 weist ein Substrat 8, auf dem eine piezoelektrische Schicht 6 angeordnet ist, und eine integrierte Elektronik 7, die zur Glättung und
Begrenzung der in der piezoelektrischen Schicht 6 erzeugten elektrischen Spannung dient, auf.
Indem das Energy Harvesting System 1 drei piezoelektrische Einheiten 3 aufweist, deren piezoelektrische Schichten 6 senkrecht zueinander stehen, ist die Energiegewinnung
komplett richtungsunabhängig vom Krafteinfluss auf das
System. In erste Linie wichtig für die Energiegewinnung einer einzelnen piezoelektrischen Einheit 3 ist die Kraftkomponente parallel zu Normalen der piezoelektrischen Schicht 6, da diese ausschlaggebend für die Auslenkung der
piezoelektrischen Schicht 6 und damit der Energiegewinnung ist. Für jede einzelne piezoelektrische Schicht 6 ist die Kraftkomponente parallel zur Normalen der Schicht für die Auslenkung wichtig, und die Energiegewinnung ist daher auf Grund der orthogonalen Anordnung der piezoelektrischen
Schichten 6, richtungsunabhängig vom Krafteinfluss.
Überdies kann anhand der in den piezoelektrischen Schichten 6 erzeugten Spannungen eine auf das Energy Harvesting System 1 wirkende Beschleunigung richtungsabhängig bestimmt werden. Aus den an den piezoelektrischen Schichten 6 erzeugten
Spannungen, die abhängig von der Auslenkung und einer auf sie wirkenden Beschleunigung ist, kann ein Steuermodul 4 die Beschleunigung berechnen. Die orthogonale Anordnung der piezoelektrischen Schichten 6 ermöglicht, sowohl den Betrag als auch die Richtung der Beschleunigung festzustellen.
Werden die piezoelektrischen Schichten 6 als
Beschleunigungssensor benutzt, ist es vorteilhaft ein
Steuermodul 4 mit einem integrierten Analog-to-Digital- Umsetzer zu benutzen, da dieser in der Lage ist, die analoge Spannungsausgabe von den piezoelektrischen Schichten 6 auszulesen .
In Figur 3 wird in einem Strukturdiagramm eine mögliche
Anordnung der elektrischen Bauteile aus der integrierten Elektronik 7 und einer Steuereinheit 2 gezeigt, wobei die drei linken Elemente zu der integrierten Elektronik 7 gehören und die rechten drei Elemente auf der Steuereinheit 2
angeordnet sind.
Die von der piezoelektrischen Schicht 6 erzeugte Spannung wird von einem Gleichrichter 10, beispielsweise einem
Brückengleichrichter, aufgenommen, der die schwankende
Wechselspannung von den piezoelektrischen Schichten 6 in eine glatte Gleichspannung umwandelt. Die integrierte Elektronik 7 weist ferner eine Z-Diode auf, die etwaige elektrische
Bauteile vor einer zu hohen Spannung und vor einer
Rückkoppelung schützt, die jedoch nicht in Figur 7 gezeigt wird .
Anschließend werden die Spannungen von den Gleichrichtern 10 an einen Gleichspannungswandler 11 geschickt, wobei jeweils ein Glättungskondensator 12 dem Gleichspannungswandler 11 vor- und nachgeschalten ist. Der Gleichspannungswandler 11 ermöglicht es, die Spannungen, die aus den Gleichrichtern 10 ausgekoppelt werden, in eine andere, beispielsweise für die Steuereinheit 2 benötigte, Spannung umzuwandeln und diese zu bündeln. Dies ermöglicht elektrische Bauteile auf der
Steuereinheit 2, die nicht direkt mit der von den
piezoelektrischen Schichten 6 ausgegebenen Spannung betrieben werden können, zu betreiben. Mit Hilfe des ersten
Glättungskondensators 12, der dem Gleichspannungswandler 11 elektrisch vorgeschalten ist, und des zweiten
Glättungskondensators 12, der dem Gleichspannungswandler 11 elektrisch nachgeschalten ist, wird über Verhältnis der
Kapazitäten der beiden Glättungskondensatoren 12 die
Eingangs- und Ausgansspannung angepasst.
In der Folge kann dem Steuermodul 4, das beispielsweise ein System-on-a-Chip (SoC) oder ein Mikrokontroller sein kann, und einem RF-Modul 5 eine geeignete Spannung bereitgestellt werden. Benötigen die elektrischen Bauteile auf der
Steuereinheit 2 eine höhere elektrische Leistung als direkt über die piezoelektrischen Schichten 6 gewonnen werden kann, kann eine wieder aufladbare Batterie oder einen Kondensator zur Energiespeicherung auf der Steuereinheit 2 integriert sein. Somit kann die Energie, die mit den piezoelektrischen Schichten 6 gewonnen wird, gespeichert und akkumuliert werden. Die angesammelte Energie kann dann beispielsweise für eine Erweiterung der Sensorik benutzt werden. Dabei kann es sich etwa um GPS-Sensoren, Temperatursensoren, Kraftsensoren, Luftfeuchtigkeitssensor oder irgendwelche anderen Sensor handeln .
Bezüglich des RF-Moduls 5 ist darauf zu achten, dass das RF- Modul 5 vorzugsweise eine Power-on Reset Zeit mit einer Dauer von weniger als 50 ms aufweist. Ein RF-Modul 5 mit einer geringen Power-on Reset Zeit benötigt weniger Energie, um in einen funktionsfähigen Zustand hochzufahren. Daher sind gerade RF-Module 5 mit einer kurzen Power-on Reset Zeit geeignet für eine Integration in ein Energy Harvesting System 1. Ausdrücklich sind niederenergetische Z-Wave-, ZigBee- oder Bluetooth-Module als RF-Modul 5 geeignet, da sie wenig
Energie brauchen und über ein Steuermodul 4 ansteuerbar sind.
Figur 4 ist ein schematisches Diagramm, in dem die
Sendeleistung eines Bluetooth-Moduls gegenüber der Zeit aufgetragen ist. Das Bluetooth-Modul hat eine Startup bzw. Power-Reset Zeit von ungefähr 5 ms. Anschließend sendet das Bluetooth-Modul abwechseln auf drei Kanälen. Ein Zyklus durch die Kanäle dauert in etwa 1,5 ms. In dem gezeigten Beispiel werden drei der 79 möglichen Kanäle verwendet. Die Anzahl der Kanäle kann abhängig von der benötigten
Übertragungsgeschwindigkeit angepasst werden, wobei eine geringere Anzahl energetisch sparsamer ist. In einer
besonders bevorzugten Ausführung wird nur auf einem einzigen Kanal gesendet, um eine energetisch möglichst effiziente Informationsübertagung bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann die benötigte Energie beim Versenden
eingespart werden, indem die Sendeleistung und
Zwischensignalpause angepasst und optimiert werden. In dem gezeigten Energy Harvesting System mit RF-Modul muss ein Kompromiss zwischen dem Energieverbrauch, der
Übertragungssicherheit, der Übertragungsdistanz und der
Übertragungsgeschwindigkeit gefunden werden, die der
Anwendung genügt .
Als Alternative zu der Z-Diode kann eine Schutzschaltung 17, wie sie in Figur 5 gezeigt wird, zum Schutz von elektrischen Bauteilen verwendet werden. Diese ist vor allem zielführend, wenn der Gleichrichter 10 in einer integrierten Schaltung realisiert wird, da eine überhöhte Spannung in einer
integrierten Schaltung zu irreversiblen Schäden führen kann. Ein Spannungsteiler, der aus den Widerständen RI und R2 besteht, wird parallel zu einem Kondensator C2, der in Reihe mit einem Transistor Ml geschalten ist, geschalten. Eine Spannung wird zwischen den Widerständen RI und R2 abgegriffen und mit dem Gate elektrisch verbunden. Der Spannungsteiler und der Transistor Ml sind so aufeinander abgestimmt, dass eine überhöhte Spannung, die möglicherweise zu einer
Schädigung einer integrierten Schaltung führen könnte, den Transistor Ml durchschaltet. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist der Widerstand RI zehnmal so groß wie der Widerstand R2. Dementsprechend fließt eine elektrische Ladung auf den Kondensator C2 und die überhöhte Spannung wird erniedrigt. Auf diese Weise wird eine dazu parallel
geschaltete integrierte Schaltung geschützt. Ferner kann die Ladung nachdem die Spannung sich wieder erniedrigt hat, wieder vom Kondensator abfließen und vom Energy Harvesting System genutzt werden. Im Gegensatz zu einer Z-Diode kann die überschüssige Ladung auch leicht abfließen und so eine elektrische induzierte Dämpfung der mechanischen Bewegung der piezoelektrischen Schichten entgegen gewirkt werden. Als Transistor Ml kann bevorzugt ein MOSFET verwendet werden.
In Figur 6 wird ebenfalls eine Schutzschaltung 17 gezeigt. Auch in dieser Schutzschaltung 17 wird ein Spannungsteiler, bestehend aus den Widerstand RI und den Widerstand R2, parallel zu einem Kondensator CI, der in Reihe mit einem Transistor geschaltet ist, geschalten. Im Gegensatz zur
Schaltung in Figur 4, handelt es hier um einen Leistungs- MOSFET Ql mit acht Pins, der für höhere Leistungen geeignet ist. Das Gate G, das am dritten Pin liegt, wird mit dem
Spannungsteiler elektrisch kontaktiert. Die zwei Sources S1 und S2, liegen an den vierten und siebten Pin an und werden mit dem Minus-Leiter verbunden. Die fünf Drains des
Leistungs-MOSFET Ql, die an den verbleibenden Pins
abgegriffen werden können, sind über Knotenpunkt miteinander verbunden und kontaktieren den Kondensator CI, der wiederum mit der Plus-Leitung verbunden ist.
In Figur 7 wird das Layout einer Leiterplatte 18 gezeigt, auf der die in Figur 5 gezeigte Schaltung angeordnet ist. Die Leiterplatte 18 hat die Form eines Kreissektors, um
formangepasst an ein Gerüst 14 zu sein, an das die
Leiterplatte 18 über eine Durchbohrung, die am runden Rand der Leiterplatte 18 gesetzt ist, mittels eine Verschraubung befestigt werden kann. Zum runden Rand weisend ist der
Spannungsteiler angeordnet, wobei der Widerstand R2 über den Widerstand RI liegt. Vom runden Rand der Leiterplatte 18 wegweisend ist der Kondensator CI über den Transistor Ql angeordnet. Drei der Drain Pins des Leistungs-MOSFETs Ql werden über einen flächigen Kontakt gleichzeitig kontaktiert.
Figur 8 zeigt zwei integrierte Elektroniken 7, die jeweils auf einer kreissektorförmigen Leiterplatte 18 verbaut sind, und miteinander parallel zu einer Gruppe geschalten sind. Die piezoelektrischen Schichten 6 können zumeist eine ausreichend hohe Spannung zu Verfügung stellen, während die generierte Stromstärke für einige Anwendungen zu niedrig sein kann.
Indem die integrierten Elektroniken 7 miteinander parallel verschalten werden, kann der Strom der integrierten
Elektroniken 7 miteinander addiert und damit erhöht werden. Abhängig von generierten elektrischen Strömen und Spannungen der piezoelektrischen Schichten 6 können auch mehrere integrierte Schaltungen 7 miteinander seriell oder parallel zu Gruppen verschaltet werden. Auch eine serielle oder parallele Verschaltung von mehreren Gruppen miteinander kann dienlich sein, um eine benötigte Spannung oder einen
benötigten Strom zu erreichen.
In Figur 9 ist ebenfalls eine Leiterplatte 18 dargestellt, die wie die Leiterplatte 18 in Figur 7 eine Kreissektorform besitzt, um sie an die Form eines Gerüstes 14 anzupassen. Die Leiterplatte 18 weist zwei Durchbohrungen am abgerundeten Rand auf, mit der sie an dem Gerüst 14 durch Verschraubungen fixiert werden kann. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen in den Figuren 7 und 8, sind auf der Leiterplatte 18 in Figur 9 zwei integrierte Elektroniken 7 verbaut, die die elektrische Energie aus zwei piezoelektrischen Scheiben verarbeiten, wobei die zwei integrierten Elektroniken 7 parallel
miteinander verschalten sind. In den integrierten
Elektroniken 7 wird keine integrierte Schaltung zum
Gleichrichten der Spannung, wie in den vorherigen Beispielen, verwendet. Stattdessen wird die integrierte Elektronik 7 über eine Schaltung mit vier diskreten Einzelioden D1-D4
verwendet. Da diskrete Einzeldioden D1-D4 sehr viel
unempfindlicher als eine integrierte Schaltung gegenüber einer überhöhten Spannung ist, kann auf eine Z-Diode oder eine Schutzschaltung 17 verzichtet werden.
Figur 10 zeigt das Schaltbild, der in Figur 9 dargestellten Leiterplatte 18. Es handelt sich um zwei parallel geschaltete Brückengleichrichter, die jeweils aus vier diskreten
Einzeldioden D1-D4 aufgebaut sind. Die vier diskreten
Einzeldioden D1-D4 sind so verschalten, dass jeweils zwei seriell verschaltete Einzelioden D1-D4 miteinander parallel verschaltet werden. Die zu glättende Spannung aus den piezoelektrischen Schichten 6 wird zwischen die seriell verschalteten Einzeldioden D1-D4 gespeist. In
Durchlassrichtung der Dioden kann so die positive, und entgegengesetzt der Durchlassrichtung, die negative
Gleichspannung abgegriffen werden. Es kann vorteilhaft sein, zu dem Brückengleichrichter, oder sogar zu jeder diskreten Einzeldiode D1-D8, noch einen Kondensator parallel zu
schalten, um eine stetigere und konstantere Spannung zu erhalten oder die einzelnen Dioden zu schützen. Als diskrete Einzeldioden D1-D8 eignen sich vor allem Gleichrichterdioden oder Signaldioden.
In Figur 11 wird eine Anordnung gezeigt, in der 24
piezoelektrische Schichten 6, ähnlich zu denen in Figur 1, in einem Gerüst 14 befestigt sind. Das Gerüst 14 besteht aus drei ineinandergreifende Kreise, die jeweils senkrecht zueinander stehen. Es besteht vorzugsweise aus einem
nichtleitenden Material, wie etwa Plastik, aber kann bei hohen Stabilitätsanforderungen auch aus einem Metall sein. Jeweils acht piezoelektrische Schichten 6 sind innerhalb eines der drei senkrecht zueinander stehenden Kreise
befestigt, so dass das Gerüst 14 in der Summe 24
piezoelektrische Schicht 6 aufnimmt.
Figur 12 zeigt eine Anordnung, in der 24 piezoelektrische Einheiten 3 in dem Gerüst 14 befestigt sind. Im Vergleich zu Figur 11 sind an jede der piezoelektrischen Schichten 6 ein Begrenzer 9 sowie die interne Elektronik 7 angebracht. Die Begrenzer 9 sind dazu ausgelegt, den Ausschlag der
piezoelektrischen Schichten 6 zu begrenzen. Die Begrenzer 9 in Figur 5 spannen sich über die Hälfte der piezoelektrischen Schicht 6 mit einem Abstand von ca. 1 mm, können aber die ganze oder auch nur ein Viertel der piezoelektrische Schicht 6 mit einem gewissen Abstand überdecken. Der Begrenzer 9 mindert die mechanische Belastung für die piezoelektrischen Schichten 6 bei starken Krafteinflüssen aber auch im
Dauerbetrieb. Indem der Begrenzer 9 eine sehr starke
Auslenkung und damit eine starke Verformung verhindert, lassen sich ungewollte Spannungsspitzen aus den
piezoelektrischen Schichten 6 vermeiden.
In Figur 13 wird ein Schocksensor 13, in dem ein Energy
Harvesting System 1 nach der vorliegenden Erfindung
integriert ist, gezeigt. Zusätzlich zu der Anordnung, die in Figur 12 gezeigt wird, ist hier eine Steuereinheit 2
eingebaut, an die die internen Elektroniken 7 angeschlossen sind. Das Gerüst 14 mit dem integrierten Energy Harvesting System 1 kann mit Deckelteilen 15 geschlossen werden und kann zusätzlich mit einer Schutzschicht, etwa aus Leder, Gummi oder Plastik umhüllt werden. Ein solcher Schocksensor 13 ist energetisch komplett autark, da alle elektrischen Bauteile im System nur mit der aus den piezoelektrischen Schichten 6 gewonnenen Energie betrieben werden. Daher kann auf eine externe Energieversorgung komplett verzichtet werden, womit der Schocksensor 13 vollkommen unabhängig und mobil ist.
Das Gerüst 14 vom Schocksensor 13 kann, wie in Figur 14 dargestellt, verstärkt sein. Der Schocksensor 13 ist somit für noch größere Kräfte und Beschleunigung geeignet, womit er auch eine größere Menge an Energie erzeugen kann. Die
Verstärkung des Gerüsts 14 wird in erster Linie durch
Querstreben 19, die an den Winkeln der ineinandergreifenden Kreise angeordnet sind und diese verbinden, realisiert. Die Querstreben 19 selbst sind auch rund und weisen
Durchbohrungen auf, über die Deckelteile 15 verschraubt werden können. In Figur 15 wird eine Halterung 20 für die zentrale Steuereinheit 2 gezeigt, die dafür geeignet ist im
beschriebenen kreisförmigen Schocksensor 13 verbaut zu werden. Die drei äußeren Stangen sind so geformt, dass sie in einem Achtel des kugelförmigen Schocksensors passen und mit jedem der drei ineinandergreifenden Kreise verschraubt werden kann. Somit trägt die Halterung 20 auch gravierend zur
Stabilität des Schocksensors 13 bei. Auf der mittigen
Verbundfläche, die zwei Durchbohren aufweist, kann die zentrale Steuereinheit 2 befestigt werden.
Figur 16 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Deckelteils 15. Diese Ausführungsform hat nicht die Form eines Achtels einer Kugelfläche, sondern einer halben Kugelfläche. Das kugelförmige Gerüst 14 des Schocksensors 13 kann daher bereits mit zwei Deckelteilen 15 umhüllt werden und benötigt nicht acht Deckelteile 15, wie in der ersten Ausführungsform. Dadurch wird der Schocksensor 13 robuster. Das Deckelteil 15 weist Durchbohrungen mit Senken auf, über die es mittels der Durchbohrungen in den Querstreben 19 des Gerüsts 14 mit dem Gerüst 14 verschraubt wird. Auf dem Teil des Deckelteils, der ich über der Halterung 20 der zentralen Steuereinheit 2 von Figur 15 befindet, weist das Deckelteil 15 eine Vielzahl von Durchbohrungen auf. Dadurch wird erreicht, dass das Signal, des in der Steuereinheit 2 enthaltenen RF-Moduls 5, eine geringere Dämpfung erfährt.
Figur 7 zeigt in einer schematischen Skizze die
Funktionsweise eines Schocksensors 13. Auf der linken Seite, vor einer Kollision, hat der Sensor noch keine Energie und kann daher auch keine Informationen versenden. Auf der rechten Seite, nach einer Kollision, hat der Schocksensor 13 durch die Vibrationen und starken Beschleunigungen beim
Aufprall genügend Energie gewonnen, um einen Empfänger 16, hier ein Smartphone, die detektierte Information über den geschehenen Aufprall zu senden, ohne von einer externen
Energieversorgung oder einer Batterie abhängig zu sein. Der Schocksensor 13 lässt sich mit anderen Sensoren erweitern und kann daher in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern
eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1 Energy Harvesting System
2 Steuereinheit
3 piezoelektrische Einheit
4 Steuermodul
5 RF-Modul
6 piezoelektrische Schicht
7 integrierte Elektronik
8 Substrat
9 Begrenzer
10 Gleichrichter
11 Gleichspannungswandler
12 Glättungskondensator
13 Schocksensor
14 Gerüst
15 Deckelteil
16 Empfänger
17 Schutzschaltung
18 Leiterplatte
19 Querstreben
20 Halterung
R1/R2 Widerstand
C1/C2 Kondensator
Ml Transistor
Ql Leistungs-MOSFET
D1-D6 diskrete Einzeldioden

Claims

Patentansprüche
1. Ein Energy Harvesting System (1) aufweisend:
mindestens zwei piezoelektrischen Einheiten (3), jeweils aufweisend :
- eine piezoelektrische Schicht (6), und
- eine integrierte Elektronik (7),
wobei die piezoelektrische Schicht (6) von der
integrierten Elektronik (7) elektrisch kontaktiert wird, und wobei die integrierte Elektronik (7) elektrische
Bauteile zur Glättung einer in der piezoelektrischen Schicht (6) erzeugten elektrischen Spannung aufweist;
wobei die piezoelektrischen Schichten (6) gewinkelt
zueinander angeordnet sind;
eine zentrale Steuereinheit (2), die von den
integrierten Elektroniken (7) elektrisch kontaktiert wird, wobei die Steuereinheit (2) ein Steuermodul (4) aufweist und dazu ausgelegt ist, elektrische Energie von den
piezoelektrischen Einheiten (3) zu sammeln, und
wobei das Steuermodul (4) dazu ausgelegt ist, eine
wechselseitige elektrische Bedämpfung der piezoelektrischen Einheiten (3) zu minimieren oder zu unterbinden.
2. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 1,
wobei die piezoelektrischen Schichten (6) senkrecht
zueinander angeordnet sind.
3. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 1 oder 2, das eine dritte piezoelektrische Einheit (2) aufweist, deren piezoelektrische Schicht (6) gewinkelt zu den
piezoelektrischen Schichten (6) der ersten beiden
piezoelektrischen Einheiten (2) ist.
4. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 3,
wobei die piezoelektrische Schicht (6) der dritten
piezoelektrischen Einheit (2) senkrecht zu den
piezoelektrischen Schichten (6) der ersten beiden
piezoelektrischen Einheiten (2) ist.
5. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 3 oder 4, das weitere piezoelektrische Einheiten (2) aufweist,
deren piezoelektrische Schicht (6) gewinkelt zu den anderen piezoelektrischen Einheiten (2) ist.
6. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrischen Schichten (6) kreissegmentförmig sind .
7. Ein Energy Harvesting System (1) nach dem vorherigen
Anspruch,
wobei die piezoelektrischen Schichten (6) in drei sich schneidenden kreisförmigen Ebenen angeordnet sind.
8. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrischen Einheiten (3) und die
Steuereinheit (2) in einem Gerüst (14) befestigt sind.
9. Ein Energy Harvesting System (1) nach dem vorherigen
Anspruch,
wobei das Gerüst (14) kugelförmig ist.
10. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei integrierten Elektroniken (7) miteinander parallel oder seriell zu einer Gruppe verschalten sind .
11. Ein Energy Harvesting System (1) einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Energy Harvesting System (1) mehrere verschaltete Gruppen von integrierten Elektroniken (7) aufweist, und wobei die Gruppen von integrierten Elektroniken (7))
miteinander parallel oder seriell verschalten sind.
12. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die integrierte Elektronik (7) und/oder die
Steuereinheit (7) elektrische Bauteile zur Begrenzung einer in der piezoelektrischen Schicht (6) erzeugten elektrischen Spannung aufweist.
13. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die integrierte Elektronik (7) einen Gleichrichter (10) aufweist .
14. Ein Energy Harvesting System (1) nach dem vorherigen Anspruch,
wobei der Gleichrichter (10) aus einer Verschaltung von diskreten Einzeldioden aufgebaut ist.
15. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 10, wobei der Gleichrichter (10) in einer integrierten Schaltung integriert ist und eine Z-Diode zu der integrierten Schaltung parallel geschalten ist.
16. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 13, wobei der Gleichrichter (10) in einer integrierten Schaltung integriert ist und eine Schutzschaltung (17) zu der
integrierten Schaltung parallel geschalten ist,
wobei die Schutzschaltung (17) aus einem Spannungsteiler, einem Transistor und einem Kondensator besteht,
wobei der Transistor und der Kondensator in Reihe geschalten sind, und
wobei der Spannungsteiler parallel zum Transistor und dem Kondensator geschalten ist,
wobei der Transistor von einer aus dem Spannungsteiler entnommenen Spannung gesteuert wird.
17. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (7) ein RF-Modul (5) aufweist.
18. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 17, wobei die Steuereinheit (7) und das RF-Modul (5) dazu ausgelegt sind mit der gesammelten elektrischen Energie betrieben zu werden.
19. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei das Energy Harvesting System (1) energetisch autark ist .
20. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrische Schicht (6) auf einem Substrat (8), das dünner als 1 mm ist, angeordnet ist.
21. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 20, wobei das Substrat (7) elektrisch leitfähig ist.
22. Ein Energy Harvesting System (1) nach Anspruch 20 oder
21,
wobei die Form der piezoelektrischen Schicht (6) an die Form des Substrats (8) angepasst ist.
23. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrischen Einheiten (3) Begrenzer (9) aufweisen, der dazu ausgelegt ist, den Ausschlag der
piezoelektrischen Schicht (6) zu begrenzen.
24. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (2) einen Gleichspannungswandler (11) aufweist .
25. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die integrierte Elektronik (7) und/oder die
Steuereinheit (2) einen Glättungskondensator (12) aufweist.
26. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei das Steuermodul (2) ein System-on-a-Chip oder ein
Mikrokontroller ist.
27. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei das RF-Modul (5) eine Power-on Reset Zeit mit einer Dauer von weniger als 50 ms aufweist, und/oder wobei das RF-Modul (5) ein Z-Wave-Modul , ein ZigBee-Modul oder ein Bluetooth-Modul ist.
28. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei das RF-Modul (5) ein Bluetooth-Sender ist,
wobei der Bluetooth-Sender dazu ausgestaltet ist die Anzahl der Kanäle anzupassen.
29. Ein Energy Harvesting System (1) nach dem vorherigen Anspruch,
wobei der Bluetooth-Sender auf einem einzigen Kanal sendet.
30. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der Ansprüche 24 bis 26,
wobei die Zeitdauer eines Sendesignals, die Sendeleistung und Zwischensignalpause so eingestellt sind, dass möglichst wenig Energie verbraucht wird.
31. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (2) zusätzlich eine wieder aufladbare Batterie oder einen Kondensator zur Energiespeicherung aufweist .
32. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (2) dazu ausgestaltet ist, anhand der in den piezoelektrischen Schichten (6) erzeugten Spannungen eine auf das Energy Harvesting System (1) wirkende
Beschleunigung richtungsabhängig zu bestimmen.
33. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Steuereinheit (2) zusätzliche Sensorik aufweist.
34. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrische Schicht (6) eine Polymerschicht, eine Keramikschicht, eine Keramikdünnschicht, eine
Mehrschichtkeramik oder eine monolithische Keramik ist.
35. Ein Energy Harvesting System (1) nach einem der
vorherigen Ansprüche,
wobei die piezoelektrische Schicht (6) dünner als 300 pm ist.
36. Einen Schocksensor (13), aufweisend:
- mindestens ein Energy Harvesting System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Energy Harvesting System (1) dazu ausgelegt ist einen Aufprall oder Schock zu detektieren und diese
Information an einen Empfänger (16) zu senden.
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