WO2011144528A1 - Verbesserte elektrische energieauskopplung aus piezoelektrischen energiewandlern mit der möglichkeit der nachpolung dieser energiewandler - Google Patents

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piezoelectric element
capacitive
energy
parallel
electrical
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PCT/EP2011/057767
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Inventor
Andreas Wolff
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a device according to the preamble of the main claim and uses according to the Ne ⁇ bencorn.
  • piezoelectric elements for example in the form of a multilayer, are used as energy converters for so-called energy harvesting (EH).
  • EH energy harvesting
  • Piezoelectric energy converters can depolarize or partially depolarize over time, favored by external influences such as pressure and temperature. This applies above all to piezo elements made of so-called soft piezo materials, which have a low coercive pressure. This depolarization or partial depolarization degrades the electrical output Leis ⁇ processing of energy conversion. Due to high coercive pressures, hard piezoelectric materials show such partial depolarizations only to a small extent. But such hard material ⁇ lien generally have output power in comparison with electrical outputs of materials from soft piezomaterials a lower electrical training.
  • piezoelectric energy converters are used in which an electrical circuit consists of a rectifier circuit with a subsequent impedance matching to an energy store and an energy consumer.
  • ⁇ as will be no Nachpolung the piezo element. It would be obvious to nachzupolen the energy collected in the energy storage by means of a separate Nachpolungsscrien at certain intervals. However, this would have the disadvantage that to a part of the stored energy is needed and thus reduces the conversion efficiency.
  • term polarity reversal circuit also requires a circuit complexity.
  • energy converters are used in which an electric scarf ⁇ tion consists of a rectifier circuit with subsequent impedance adaptation to an energy storage and an energy consumer.
  • Boost converter step-down converter or charge pumps. It is an object of the present invention in a piezoelectric element for generating electrical energy, in particular narrow-band, mechanical vibrations to increase an electrical output.
  • a capacitive energy component stored in the piezoelectric element should be usable and an electrical output voltage under load and an electrical output power increased.
  • a mecha ⁇ African resonance frequency of the piezoelectric energy converter to be electrically adjustable to a frequency of the mechanical vibrations.
  • An electrical decoupling should be effectively improved, in particular in the case of power generation from mechanical vibrations of a frequency f.
  • an apparatus for generating electrical energy from mechanical vibrations of a frequency f comprising: sellid A moving means of the mechanical vibrations of the piezoelectric element for generating an electrical alternating; an impedance matching device for matching the impedance of the piezo element optional rectifier, electrically connected to the capacitive energy store and a Cs to the energy store Cs electrically parallel maral ⁇ ended energy consumers R, at which an output voltage U is applied.
  • the device is characterized in that an inductive element L is electrically connected to the piezoelectric element in such a way that an electrical parallel resonant circuit is produced by means of the inductive element L and a capacitor C. is formed.
  • an inductive element L is electrically connected to the piezoelectric element in such a way that an electrical parallel resonant circuit is produced by means of the inductive element L and a capacitor C. is formed.
  • the inductive element L between two poles of the output voltage U can be electrically connected in series with the piezoelectric element and the capacitive element C electrically connected in parallel to the inductive element L electrically.
  • An electrical wiring of a piezoelectric element according to this embodiment uses the electrical energy obtained from the mechanical energy at the same time for Nachpolen the piezoelectric element in the case of power generation from narrow-band mechanical vibrations of a frequency f.
  • the electrical output power can be increased.
  • an electrical output voltage is multiplied by an electrical resonance.
  • the increased by a resonance output voltage U can nachpolen directly via the inductance L, the piezoelectric element. Because of this permanent polarity reversal is the
  • the inductive element L can be electrically connected parallel to the piezoelement. be closed and the capacitive element C be provided as a kapaziti ⁇ ver part C e i of the piezoelectric element.
  • the inductive element L has a suitable size. This inductance is provided such that it comprises a ka- pazitiven Part C e] _ of the piezoelectric element as well as possible compen ⁇ Siert.
  • C e] _ and L form a high-impedance parallel resonant circuit at the resonant frequency f.
  • the inductive element L can be electrically connected in parallel to the piezoelectric element and a further capacitive element C w can be electrically connected in parallel to the inductive element L.
  • the capacitive element C can be generated from the capacitive part C e i of the piezoelectric element and a further capacitance C w connected electrically parallel to the inductive element L and the piezoelectric element.
  • F (t) F m ax - sin ⁇ Ti- f - t) (1) customizable. This is particularly advantageous because this adjustment is only mechanically feasible. Mechanical adjustments are more complex and subsequently almost impossible. It is possible, for example, the resonant frequency to variie ⁇ ren simply by switching different capacitors and inductors, with no change mechanism of a power converter module.
  • a diode can be electrically connected in parallel to the piezoelectric element and in the barrier Rich ⁇ tion for voltage of the piezoelectric element.
  • a rectification by means of a piezo element to parallel ge ⁇ switched diode results in the following advantages: it can elekt ⁇ generic voltages, which are directed against the polarity and can lead to additional depolarization of a piezo element, can be avoided; Compared to a conventional bridge rectification, a voltage doubling can be effected. Furthermore, an impedance doubling is provided, and this can be advantageous if an impedance conversion can be avoided in this way.
  • an active rectifier may be electrically connected as a controllable electronic switch which opens or closes synchronously with a zero crossing in the case of a polarity change by a drive circuit.
  • a controllable electronic switch which opens or closes synchronously with a zero crossing in the case of a polarity change by a drive circuit.
  • the capacitance of the capacitive energy store Cs may be at least 10 times as large as the capacitance of the capacitive element C.
  • a material of the piezo element may be a soft material or piezo har ⁇ tes lead zirconate titanate or the material having a klei ⁇ NEN coupling factor.
  • the capacitive energy store C s may be a double-layer capacitor. According to a further advantageous embodiment, a
  • Impedanzanpassungs might be a boost converter, a step-down converter or a charge pump.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN device
  • Figure 2 shows a second embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN device.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device OF INVENTION ⁇ to the invention.
  • Figure 1 shows an apparatus for generating electrical energy from mechanical vibrations of a frequency f, whereby a piezoelectric element 1 is a zeitab ⁇ dependent force F (t) acts.
  • the piezoelectric element 1 generates an electrical alternating voltage as a result of the mechanical vibrations due to movement.
  • the piezoelectric element supplies an electrical energy consumer R with an output voltage U or an associated output power. Between the piezoelectric element 1 and the energy consumer R is in parallel to the energy consumer R electrically an energy storage C s elec- connected in parallel.
  • a in ⁇ duktives element L is electrically connected to the piezoelectric element 1, a in ⁇ duktives element L is electrically connected.
  • the inductive element L is electrically connected between two poles of the output voltage U in series with element 1, wherein a capacitive element C is electrically parallel to the inductive
  • Element L is electrically connected.
  • a capacitive element C By means of direct wiring of the piezoelectric element 1 with an inductive element L and a capacitive element C can be increased from an electrical ⁇ output power.
  • the output voltage U By a resonance, the output voltage U is multiplied.
  • This output voltage U is so rectified, which rest against the piezoelectric element 1 none ge ⁇ gen polarity directed electric voltages at the capacitor C s occurring voltage U nachpolt the piezoelectric element 1 via the acting as a choke inductor L and or maintains the polarization.
  • the capacitance C s is large compared to the capacitance C.
  • Another Be ⁇ circuit comprising an impedance conversion, energy storage and energy consumers, remains unchanged in comparison to the prior art substantially.
  • the following formulas 2 represent the physical relationships:
  • a typical multilayer stack can have the following data:
  • Rectifier diode D wherein a cathode of the diode must be connected to a + side of the piezoelectric element.
  • the voltages generated by the circuit according to FIG. 1 are sufficient for multilayer stacks with individual layer thicknesses of around 100 .mu.m in order to generate field strengths which are above the coercive field strengths of soft piezoelectric materials. This stimulates a post-poling process, which is the one for a good conversion efficiency keeps necessary polarity state stable.
  • a so-called active rectifier for a synchronous rectification which is a controllable electronic switch, for example a MOSFET, which opens or closes synchronously with a zero crossing when the polarity is changed by a drive circuit.
  • a low voltage drop of a few 10 mV in the through-connected state whereby the
  • the circuit must first have energy avail ⁇ supply to perform a rectification. This can be accomplished by leaving the diode D in the circuit so that the capacitor Cs is charged until synchronous rectification is performed. According to a device according to FIG. 1, a polarity reversal of the piezoelement 1 can take place.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an inventive device.
  • the device generates electrical energy from mechanical vibrations F (t) of a frequency f.
  • the device has a piezoelectric element 1, which is moved by means of the mechanical vibrations, for generating an alternating electrical voltage.
  • the piezoelectric element 1 provides an electrical power for an electrical load connected in parallel.
  • an energy storage Cs is electrically connected in parallel.
  • This energy storage Cs is a capacitive energy storage.
  • FIG. 2 shows a bridge rectifier circuit 3 between the piezoelectric element 1 and the capacitive energy store Cs. According to one embodiment, only one inductive element is electrically connected in parallel to the piezoelectric element 1.
  • the piezoelectric element 1 may have the following data as a typical multilayer stack:
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the inductive element L, an additional capacitive element C is electrically connected.
  • the design of the storage inductor L is to be noted that depending on the excitation of the piezoelectric element 1 and the damping of the resonant circuit by the current consumer R high currents can flow through the inductance L, the ohmic see losses through the coil wire and possibly to saturation of the magnetic core of the storage inductor L and thus lead to further unwanted electrical losses.
  • Fi ⁇ gur 2 Another advantage according to the embodiment of Fi ⁇ gur 2 is that Cs is always charged further at a reduced energy extraction by a current load R, for example, in a standby mode of the energy store, to the losses of the circuit, depending on the quality of the resonant circuit so large like the energy supplied by the piezo element.
  • the achievable output voltage can then be a multiple of the normal output voltage. This is particularly important when using so-called.
  • Supercaps or double-layer capacitors as energy storage since the charge voltage increases with increasing charging energy and the charging current would come to a standstill.

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und eine Verwendung dieser Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f, wobei die Vorrichtung ein mittels der mechanischen Vibration bewegtes Piezoelement (1) zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung bereitstellt, sowie eine Impedanzanpassungseinrichtung zur Anpassung der Impedanz des Piezoelements an einen optionalen Gleichrichter, einen elektrisch angeschlosse- nen kapazitiven Energiespeicher (CS) und einem zum Energiespeicher (CS) elektrisch parallel geschalteten Energieverbraucher (R), an den eine Ausgangsspannung (U) anliegt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an das Piezoelement (1) ein induktives Element (L) derart elektrisch angeschlossen ist, dass mittels des induktiven Elements (L) und einer Kapazität (C) ein elektrischer Parallelschwingkreis ausgebildet ist. Es wird ein elektrischer Parallelschwingkreis bereitgestellt, der eine elektrische Ausgangsleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wirksam vergrößert.

Description

Beschreibung
Verbesserte elektrische Energieauskopplung aus piezoelektrischen Energiewandlern mit der Möglichkeit der Nachpolung die- ser Energiewandler
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und Verwendungen gemäß den Ne¬ benansprüchen .
Zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus mechanischer Energie werden insbesondere Piezoelemente, beispielsweise in Form eines Multilayers als Energiewandler für ein sog. Energy Harvesting (EH) verwendet. Piezoelektrische Energiewandler können im Zeitverlauf, begünstigt durch äußere Einflüsse wie es beispielsweise Druck und Temperatur sind, depolarisieren bzw. teil-depolarisieren . Dies betrifft vor allem Piezoelemente aus sog. weichen Piezomaterialien, welche einen geringen Koerzitivdruck aufweisen. Diese Depolarisation bzw. Teil- Depolarisation verschlechtert die elektrische Ausgangsleis¬ tung der Energiewandlung. Harte Piezomaterialien zeigen, bedingt durch hohe Koerzitivdrücke, derartige Teil-Depolari- sationen in lediglich geringem Maße. Derartige harte Materia¬ lien weisen aber in der Regel eine geringere elektrische Aus- gangsleistung im Vergleich zu elektrischen Ausgangsleistungen von Materialien aus weichen Piezomaterialien auf.
Herkömmlicherweise werden piezoelektrische Energiewandler verwendet, bei denen eine elektrische Beschaltung aus einer Gleichrichterschaltung mit einer anschließenden Impedanzanpassung an einen Energiespeicher und einen Energieverbraucher besteht. Bei einer herkömmlichen Anordnung findet beispiels¬ weise keine Nachpolung des Piezoelements statt. Naheliegend wäre es, die im Energiespeicher gesammelte Energie mittels einer separaten Nachpolungsschaltung in bestimmten Zeitabständen nachzupolen. Dies hätte allerdings den Nachteil, dass dazu ein Teil der gespeicherten Energie benötigt wird und sich damit der Wandlungswirkungsgrad verringert. Eine derar- tige Nachpolungsschaltung erfordert jedoch ebenso einen schaltungstechnischen Aufwand. Herkömmlicherweise werden Energiewandler verwendet, bei denen eine elektrische Schal¬ tung aus einer Gleichrichterschaltung mit anschließender Im- pedanzanpassung an einen Energiespeicher und einem Energieverbraucher besteht. Eine Anpassung der Impedanz wird beispielsweise mittels sog. Boost-Konverter, Step-Down-Konverter oder Ladungspumpen ausgeführt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einem Piezoele- ment zur Erzeugung von elektrischer Energie aus, insbesondere schmalbandigen, mechanischen Vibrationen eine elektrische Ausgangsleistung zu erhöhen. Insbesondere sollen ein im Pie- zoelement gespeicherter kapazitiver Energieanteil nutzbar sein und eine elektrische Ausgangsspannung unter Last sowie eine elektrische Ausgangsleistung erhöht werden. Eine mecha¬ nische Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Energiewandlers soll elektrisch an eine Frequenz der mechanischen Vibrationen anpassbar sein. Es soll eine elektrische Auskopplung insbe- sondere für den Fall einer Energieerzeugung aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f wirksam verbessert werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f bereitgestellt, wobei die Vorrichtung folgende Ein¬ richtung aufweist: Ein mittels der mechanischen Vibrationen bewegtes Piezoelement zur Erzeugung einer elektrischen Wech- selspannung; eine Impedanzanpassungseinrichtung zur Anpassung der Impedanz des Piezoelements optionalen Gleichrichter, einen elektrisch angeschlossenen kapazitiven Energiespeicher Cs und einen zum Energiespeicher Cs elektrisch parallel geschal¬ teten Energieverbraucher R, an dem eine Ausgangsspannung U anliegt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an das Piezoelement ein induktives Element L derart elektrisch angeschlossen ist, dass mittels des induktiven Elements L und einer Kapazität C ein elektrischer Parallelschwingkreis aus- gebildet wird. Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung und einer elektrischen Ausgangsleistung ver- wendet.
Mittels einer direkten Beschaltung eines Piezoelements mit zumindest einem induktiven Element L wird auf einfache und wirksame Weise eine elektrische Ausgangsleistung erhöht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das in- duktive Element L zwischen beiden Polen der Ausgangsspannung U elektrisch in Serie zum Piezoelement angeschlossen sein und das kapazitives Element C elektrisch parallel zum induktiven Element L elektrisch angeschlossen sein. Eine elektrische Beschaltung eines Piezoelements gemäß dieser Ausgestaltung ver- wendet die aus der mechanischen Energie gewonnene elektrische Energie gleichzeitig zum Nachpolen des piezoelektrischen Elements für den Fall einer Energieerzeugung aus schmalbandigen mechanischen Vibrationen einer Frequenz f. Mittels einer direkten Beschaltung eines Piezoelements mit einem induktiven Element L und einem kapazitiven Element C kann die elektrische Ausgangsleistung erhöht werden. Hierbei wird durch eine elektrische Resonanz eine elektrische Ausgangsspannung vervielfacht. Die durch eine Resonanz erhöhte Ausgangsspannung U kann unmittelbar über die Induktivität L das Piezoelement nachpolen. Aufgrund dieser permanenten Nachpolung ist der
Energieaufwand hierzu sehr gering und kommt direkt dem Wir¬ kungsgrad der Energiewandlung zugute. Der erforderliche Be- schaltungsaufwand ist gering. Mit dieser elektrischen Be¬ schaltung wird ein langzeitstabiler Betrieb mit hohem Wir- kungsgrad des Energiewandlers bewirkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das induktive Element L elektrisch parallel zum Piezoelement ange- schlössen sein und das kapazitive Element C als ein kapaziti¬ ver Teil Cei des Piezoelements bereitgestellt sein. Hierbei weist das induktive Element L eine passende Größe auf. Diese Induktivität wird derart bereitgestellt, dass diese einen ka- pazitiven Teil Ce]_ des Piezoelements möglichst gut kompen¬ siert. Hierbei bilden Ce]_ und L bei der Resonanzfrequenz f einen hochohmigen Parallelschwingkreis.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das in- duktive Element L elektrisch parallel zum Piezoelement und ein weiteres kapazitives Element Cw elektrisch parallel zu dem induktiven Element L elektrisch angeschlossen sein. Auf diese Weise kann das kapazitive Element C aus dem kapazitiven Teil Cei des Piezoelements und einer elektrisch parallel zum induktiven Element L und dem Piezoelement angeschlossenen weiteren Kapazität Cw erzeugt sein. Durch die Parallelschal¬ tung eines derartigen kapazitiven Elements C zum induktiven Element L lässt sich bei gleicher Resonanzfrequenz eine Größe der erforderlichen Induktivität wirksam verkleinern.
Gemäß den drei vorstehend genannten vorteilhaften Ausgestal¬ tungen kann ein in einem Piezoelement gespeicherter kapazitiver und sonst ungenutzter elektrischer Energieanteil einer Energiewandlung ausgekoppelt werden. Auf diese Weise können besonders vorteilhaft piezoelektrische Materialien mit nied¬ rigem Kopplungsfaktor für eine Energieerzeugung mittels Pie- zoelementen verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch eine elektrische Resonanz, eine elektrische Ausgangs¬ spannung unter Last wirksam je nach Kopplungsfaktor um 50 bis 100 % vergrößert werden kann. Dies bewirkt ebenso Leistungs¬ steigerungen um 100 bis 300 %. Zudem ist eine mechanische Re¬ sonanzfrequenz eines piezoelektrischen Energiewandlers mittels einer Dimensionierung der Induktivität L auf die vorge¬ gebene Frequenz f der mechanischen Vibration
F(t) = Fmax - sin^Ti- f - t) (1) anpassbar. Dies ist besonders vorteilhaft, da diese Anpassung lediglich mechanisch ausführbar ist. Mechanische Anpassungen sind aufwändiger und nachträglich nahezu unmöglich. Es ist beispielsweise möglich, die Resonanzfrequenz durch einfaches Umschalten verschiedener Kapazitäten und Induktivitäten, bei unveränderter Mechanik eines Energiewandler-Moduls zu variie¬ ren .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Diode elektrisch parallel zum Piezoelement und in Sperrrich¬ tung zur Spannung des Piezoelements angeschlossen sein. Eine Gleichrichtung mittels einer zum Piezoelement parallel ge¬ schalteten Diode bewirkt folgende Vorteile: Es können elekt¬ rische Spannungen, die gegen die Polung gerichtet sind und zur zusätzlichen Depolarisation eines Piezoelements führen können, vermieden werden; im Vergleich zu einer herkömmlichen Brückengleichrichtung kann eine Spannungsverdoppelung bewirkt werden. Des Weiteren wird eine Impedanzverdopplung bereitgestellt, wobei dies vorteilhaft sein kann, wenn auf diese Wei- se eine Impedanzwandlung vermieden werden kann. Des Weiteren werden Spannungsverluste durch eine Flussspannung einer Diode im Vergleich zu einer Brückenschaltung halbiert. Des Weiteren sind im Vergleich zu einer herkömmlichen Brückengleichrichtung weniger Bauteile erforderlich, so dass sich daraus Kos- tenvorteile und Vorteile hinsichtlich eines benötigten Bau¬ raumes ergeben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann anstelle oder in Ergänzung zu einer Diode ein aktiver Gleichrichter als steuerbarer elektronischer Schalter elektrisch angeschlossen sein, der bei einem Polaritätswechsel durch eine Ansteuerschaltung synchron zu einem Nulldurchgang öffnet oder schließt . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine
Brückengleichrichterschaltung elektrisch parallel zum Piezoelement oder elektrisch parallel zu dem kapazitiven Energiespeicher Cs angeschlossen sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kapazität des kapazitiven Energiespeichers Cs mindestens lOmal so groß als die Kapazität des kapazitiven Elements C sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Material des Piezoelements ein weiches Piezomaterial oder har¬ tes Blei-Zirkonat-Titanat sein oder das Material einen klei¬ nen Kopplungsfaktor aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der kapazitive Energiespeicher Cs ein Doppelschicht-Kondensator sein . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine
Impedanzanpassungseinrichtung ein Boost-Konverter, ein Step- Down-Konverter oder eine Ladungspumpe sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispie- len in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f, wobei auf ein Piezoelement 1 eine zeitab¬ hängige Kraft F(t) wirkt. Das Piezoelement 1 erzeugt infolge der mechanischen Vibrationen durch Bewegung eine elektrische Wechselspannung. Das Piezoelement versorgt einen elektrischen Energieverbraucher R mit einer Ausgangsspannung U beziehungsweise einer dazugehörigen Ausgangsleistung. Zwischen dem Piezoelement 1 und dem Energieverbraucher R ist parallel zum Energieverbraucher R elektrisch ein Energiespeicher Cs elekt- risch parallel geschaltet. An das Piezoelement 1 ist ein in¬ duktives Element L elektrisch angeschlossen. Das induktive Element L ist zwischen beiden Polen der Ausgangsspannung U elektrisch in Serie zu Element 1 angeschlossen, wobei ein ka- pazitives Element C elektrisch parallel zu dem Induktiven
Element L elektrisch angeschlossen ist. Mittels der direkten Beschaltung des Piezoelement 1 mit einem induktiven Element L und einem kapazitiven Element C kann eine elektrische Aus¬ gangsleistung erhöht werden. Durch eine Resonanz wird die Ausgangsspannung U vervielfacht. Diese Ausgangsspannung U wird derart gleichgerichtet, das am Piezoelement 1 keine ge¬ gen die Polung gerichteten elektrischen Spannungen anliegen und die am Kondensator Cs auftretende Spannung U über die als Speicherdrossel wirkende Induktivität L das Piezoelement 1 nachpolt beziehungsweise die Polung aufrechterhält. Für ein ordnungsgemäßes Funktionieren ist es vorteilhaft, wenn die Kapazität Cs groß gegen die Kapazität C ist. Eine weitere Be¬ schaltung umfassend eine Impedanzwandlung, Energiespeicherung und Energieverbraucher, bleibt im Vergleich zum Stand der Technik im Wesentlichen unverändert. Folgende Formeln 2 stellen die physikalischen Zusammenhänge dar:
Cel = (n . d33 )2 - k
Figure imgf000009_0001
L
(2 - 7r - f)2 - Cei
Beispielhaft können folgende Berechnungen hinsichtlich dieses ersten Ausführungsbeispieles ausgeführt werden. Dazu kann ein typischer Multilayerstapel folgende Daten aufweisen:
Kopplungsfaktor keff = 0,7
Schichtanzahl n = 350
Piezoelektrischer Koeffizient d33 = 950pm/V
Federsteifigkeit des Piezoelements k = 40N/ym. Die Größe der verwendeten elektrischen Bauteile sind folgende :
Kondensator c = 25
Speicherdrossel L = 27 mH mit Rg, der der Serienwiderstand der Wicklung ist,
Speicherkondensator Cg = 1 mF und vieles größer als C,
Gleichrichterdiode D, wobei eine Kathode der Diode an einer +-Seite des Piezoelements angeschlossen sein muss. Modellie¬ rungsrechnungen ergeben folgende Werte der Ausführung:
Bei einer Vibrationsfrequenz von f = 166 Hz mit einer Kraftamplitude von Fp = 200 N ergibt sich im Resonanzfall eine ma¬ ximale Polungsspannung Up von 100 V am Piezowandler für Rg = 1Ω. Für geringere ohmsche Verluste Rg der Speicherdrossel von 0,5 und 0,3 Ω ergeben sich Polungsspannungen Up von entsprechend 200 V und 340 V.
Für Fp = 100 N ergibt sich im Resonanzfall folgendes: Mit Rg = 1 Ω ergibt sich eine maximale Polungsspannung von 50 V am Piezowandler;
mit Rg = 0,5 Ω ergibt sich eine maximale Polungsspannung von 100 V am Piezowandler;
mit Rg ist 0,3 Ω ergibt sich eine maximale Polungsspannung von 170 V am Piezowandler.
Die in diesem Beispiel angegebenen Werte wurden mit einem linearen Modell bestimmt. Durch das nichtlineare Realverhalten des Piezoelements kann es Abweichungen von den optimalen Bau- elementwerten geben. Diese optimalen Werte lassen sich am einfachsten durch experimentelles Variieren der Bauelementwerte ermitteln.
Die durch die Beschaltung gemäß Figur 1 erzeugten Spannungen sind für Multilayer-Stacks mit Einzelschichtdicken um 100 um ausreichend, um Feldstärken zu erzeugen, die oberhalb von Koerzitivfeidstärken von weichen Piezomaterialien liegen. Dadurch wird ein Nachpolungsprozess angeregt, der den für einen guten Wandlerwirkungsgrad notwendigen Polungszustand stabil hält .
Anstelle einer Diode D ist es möglich, einen sog. aktiven Gleichrichter für eine Synchrongleichrichtung zu verwenden, welcher ein steuerbarer elektronischer Schalter, beispielsweise ein MOSFET ist, der bei einem Polaritätswechsel durch eine Ansteuerschaltung synchron zu einem Nulldurchgang öffnet bzw. schließt. Vorteilhaft ist ein niedriger Spannungsabfall von einigen 10 mV im durchgeschalteten Zustand, wodurch die
Energieeffizienz der Schaltung weiter erhöht wird. Dem gegenüber ergibt sich der Nachteil, dass eine notwendige Ansteue- rungsschaltung einen Teil der gespeicherten Energie verbraucht. Ob die Vorteile überwiegen, hängt von den gegebenen Strom- bzw. Spannungsbereichen bei der Gleichrichtung ab.
Weiterhin muss die Schaltung erst einmal Energie zur Verfü¬ gung haben, um eine Gleichrichtung zu verrichten. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass man die Diode D in der Schaltung belässt, so dass der Kondensator Cs bis zum Funkti- onieren der Synchrongleichrichtung aufgeladen wird. Gemäß einer Vorrichtung nach Figur 1 kann eine Nachpolung des Piezo- elements 1 erfolgen.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung erzeugt elektrische Energie aus mechanischen Vibrationen F(t) einer Frequenz f. Die Vorrichtung weist einen mittels der mechanischen Vibrationen bewegtes Piezoelement 1 zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung auf. Das Piezoelement 1 stellt für einen elektrisch parallel geschalteten Energieverbraucher eine elektrische Leistung bereit. An dem Energieverbraucher R ist ein Energiespeicher Cs elektrisch parallel geschaltet. Dieser Energiespeicher Cs ist ein kapazitiver Energiespeicher. Figur 2 zeigt zwischen dem Piezoelement 1 und dem kapazitiven Ener- giespeicher Cs eine Brückengleichrichterschaltung 3. Gemäß einer Ausgestaltung ist lediglich ein induktives Element elektrisch parallel zum Piezoelement 1 angeschlossen. Mittels dieser direkten Beschaltung des Piezoelements 1 mit diesem induktiven Element L wird eine elektrische Ausgangsleistung erhöht. Hierbei wird eine Induktivität L passender Größe pa¬ rallel zum Piezoelement 1 geschaltet. Diese Induktivität wird so bemessen, dass diese den kapazitiven Teil Ce]_ des Piezo- elements 1 möglichst gut kompensiert. Hierbei bilden Ce]_ und L bei der Resonanzfrequenz f einen hochohmigen Parallelschwingkreis. Die weitere Beschaltung umfassend Gleichrich¬ tung, Impedanzanpassung, Energiespeicherung für den Energieverbraucher bleibt im Vergleich zum Stand der Technik im We- sentlichen unverändert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Piezoelement 1 als typischer Vielschichtstapel folgende Daten aufweisen:
Kopplungsfaktor keff = 0,7
Schichtanzahl n = 350
Piezoelektrischer Koeffizient d33 = 950 pm/V
Federsteifigkeit des Piezoelements k = 40 N/um.
Auf der Grundlage dieser Daten des Piezoelements 1 ergibt sich ein Wert Ce]_ für einen kapazitiven Teil des Piezoele¬ ments ein Wert von 4,5 . Für eine Resonanzfrequenz von beispielsweise f = 175 Hz müsste eine Induktivität von 184 mH für die Beschaltung des Piezoelements verwendet werden. Eine Speicherdrossel dieser Induktivität wäre nach dem Stand der Technik unhandlich und teuer.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zum induktiven Element L ein zusätzliches kapazitives Element C elektrisch angeschlossen ist. Durch eine derartige Parallelschaltung ei- ner Kapazität C beispielsweise mit einem Wert von C = 25 zur Speicherdrossel lässt sich bei einer gleichen Resonanzfrequenz die Größe der erforderlichen Induktivität dieser Speicherdrossel wirksam verkleinern. Die Induktivität beträgt dann lediglich noch L = 27 mH. Dieser Wert lässt sich einfach realisieren. In der Auslegung der Speicherdrossel L ist zu beachten, dass je nach Anregung des Piezoelementes 1 und der Dämpfung des Schwingkreises durch den Stromverbraucher R hohe Ströme durch die Induktivität L fließen können, die zu ohm- sehen Verlusten durch den Spulendraht und unter Umständen zur Sättigung des Magnetkerns der Speicherdrossel L und so zu weiteren unterwünschten elektrischen Verlusten führen. Diese Verluste würden die elektrische Resonanz des Schwingkreises zu stark bedämpfen und den Energiegewinn reduzieren. Ebenso können die Verluste im Piezomaterial zu einer Bedämpfung des Schwingkreises führen. Hier kann die Verwendung verlustärme¬ rer Piezomaterialien beispielsweise Hart-PZT vorteilhaft sein .
Ein weiterer Vorteil gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß Fi¬ gur 2 ist, dass bei einer reduzierten Energieentnahme durch einen Stromverbraucher R, beispielsweise in einem Bereitschaftsbetrieb der Energiespeicher Cs immer weiter aufgeladen wird, bis die Verluste der Schaltung, abhängig von der Güte des Schwingkreises, so groß werden, wie die durch das Piezo- element zugeführte Energie. Die erreichbare Ausgangsspannung kann dann ein Vielfaches der normalen Ausgangsspannung betragen. Dies ist besonders bei Verwendung von sog. Supercaps oder Doppelschicht-Kondensatoren als Energiespeicher wichtig, da deren Ladungsspannung mit steigender Ladeenergie ansteigt und der Ladestrom zum Erliegen kommen würde. Mit den vorstehend genannten Daten und einem ohmschen Widerstand, der
27-mH-Speicherdrossel, von 750 mQ ergibt sich aus Modellie- rungsrechnungen eine Steigerung der Ausgangsspannung U nach der Gleichrichtung um 60 % und eine Steigerung der elektrischen Ausgangsleistung um 147 % an einem leistungsangepassten Widerstand R von 300 Ω. Bei Piezomaterialien mit geringem Kopplungsfaktor keff sind noch größere Steigerungen möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen einer Frequenz f mit:
einem mittels der mechanischen Vibrationen bewegten Piezoele- ment (1) zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung; einer Impedanzanpassungseinrichtung zur Anpassung der Impedanz des Piezoelements an einen optionalen Gleichrichter, einen elektrisch angeschlossenen kapazitiven Energiespeicher (Cs) und einen zum Energiespeicher (Cs) elektrisch parallel geschalteten Energieverbraucher (R) , an dem eine Ausgangsspannung (U) anliegt;
dadurch gekennzeichnet, dass
an das Piezoelement (1) ein induktives Element (L) derart elektrisch angeschossen ist, dass mittels des induktiven Elements (L) und einer Kapazität (C) ein elektrischer Parallel¬ schwingkreis ausgebildet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das induktive Element (L) zwischen beiden Polen der Ausgangs¬ spannung (U) elektrisch in Serie zum Piezoelement (1) ange¬ schlossen und das kapazitives Element (C) elektrisch parallel zum induktiven Element (L) angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das induktive Element (L) elektrisch parallel zum Piezoele¬ ment (1) angeschlossen und das kapazitive Element (C) als ein kapazitiver Teil (Cei) des Piezoelements (1) bereitgestellt ist .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kapazitive Element (C) aus dem kapazitiven Teil (Cei) des Piezoelements (1) und aus einer elektrisch parallel zum in¬ duktiven Element (L) angeschlossenen, weiteren Kapazität (Cw) erzeugt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Diode (D) elektrisch parallel zum Piezoelement (1) und in Sperrrichtung zur Spannung des Piezoelements (1) angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
anstelle oder in Ergänzung zur Diode (D) ein aktiver Gleichrichter als steuerbarer elektronischer Schalter elektrisch angeschlossen ist, der bei einem Polaritätswechsel durch eine Ansteuerschaltung synchron zu einem Nulldurchgang öffnet oder schließt .
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Brückengleichrichterschaltung (3) elektrisch parallel zum Piezoelement und elektrisch parallel zu dem kapazitiven Energiespeicher (Cs) angeschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kapazität des kapazitiven Energiespeichers (Cs) mindes- tens zehnmal so groß wie die Kapazität des kapazitiven Ele¬ ments (C) ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Material des Piezoelements (1) ein weiches Piezomaterial oder hartes Blei-Zirkonat-Titanat ist oder das Material einen kleinen Kopplungsfaktor aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der kapazitive Energiespeicher (Cs) ein Doppelschicht- Kondensator ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Impedanzanpassungseinrichtung ein Boost-Converter, ein Step-Down-Konverter oder eine Ladungspumpe ist.
12. Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung (U) und einer elektrischen Ausgangsleistung.
13. Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen nach Anspruch 12 in Verbindung mit einer Gleichrichterschaltung, insbesondere nach den Ansprüchen 5, 6 oder 7, zur Bereitstellung einer elektri- sehen Gleichspannung.
14. Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Vibrationen nach Anspruch 12 ohne Gleichrichterschaltung zur Bereitstellung einer elektrischen Wechselspannung.
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