Modellbasierter Entwurf resonant betriebener, piezoelektrischer Biegeschwinger in Energy-Harvesting-Generatoren

Fortschritte in Elektronik und Mikrosystemtechnik zeigen einen Trend zu miniaturisierten, energiearmen Systemen, die kabellos zu betreiben sind. Energy Harvesting Methoden stellen ein Prinzip zur Energieversorgung dar. Hierbei wird der elektrische Strom aus der zumeist regenerativen Umgebungsenergie gewandelt. Werden mechanische Schwingungen als Energiequelle betrachtet, so bieten sich als Lösungselement piezoelektrische Biegeschwinger an. Diese sind jedoch auf die jeweilige Umgebung genau auszulegen. In der Arbeit wird eine Systematik vorgestellt, mit deren Hilfe piezoelektrische Schwingungswandler modellbasiert entwickelt werden können. Grundlage der Systematik bildet ein durch Messungen validierter Entwurf unter Nutzung eines modalen Basismodells. Damit höhere Erregungsamplituden und Dehnungen abgebildet werden können, wird das nichtlineare Verhalten der Wandler betrachtet und in das Modell eingebettet. Eine zusätzliche Erweiterung ermöglicht die Untersuchung der Rückwirkung des Generators auf die Umgebung. Durch Simulation und Analyse des Wandlersystems lassen sich Aussagen zu optimalen elektrischen Lasten und idealen Wandlergeometrien zur Realisierung eines bestmöglichen Leistungstransfers treffen. Dabei werden zudem weitere Zusammenhänge erörtert. Die Systematik, angefangen von der Konzeption bis zur Systemintegration, wird an einem Beispiel verdeutlicht. Am Ende ergibt sich ein mit Massen abgestimmter Generator unter Verwendung parallel geschalteter Biegewandler.