本公开涉及压电发电机系统和包括这种压电发电机系统的电气系统。
背景技术：
全球能源需求的持续增长是目前存在的最重要的问题之一，其造成了能源匮乏、污染能源的使用、对气候变化的影响、疾病、预期寿命缩短、贫困、饥饿以及为控制能源的战争。
近年来，这引起了相当大的关注，并且提出了针对污染能源的替代方案，如可再生能源和可持续能源。然而，它们没有提供足够的能源来应对增加的能源需求，因此所述非环保能源仍在大量使用。
诸如水力或风力(eolicpower)发电厂的清洁能源需要大量的自然力来发电，举例来说，如移动水力发电厂的涡轮机需要由风力或落水来提供的大的力。这涉及到地理上的限制，因此这些发电厂不能在地球的所有地方传送电力。
另一方面，最大的污染者之一是交通工具，无论是通过公路、海上还是空中，因为它们使用化石燃料。
出于上述理由，电动交通工具越来越多地被开发和使用，如将电动马达与内燃机组合的混合动力交通工具。当混合动力交通工具中的电池耗尽或需要额外的动力来加速时，或者当必须进行更长旅程时，燃料发动机也需要继续循环。
尽管电动交通工具变得越来越流行，但他们遭受有限的自主性，因为电池应当经常再充电。
例如，使用60kwh电池的电动交通工具具有大约370km的驾驶自主性，而使用85kwh电池的电动交通工具具有约480km的驾驶自主性。因此，尽管本领域已经努力开发具有高能量密度的电池以便增加交通工具驾驶自主性并减少电池充电时间，但仍然需要非常大的可再充电电池来提供合理的驾驶自主性。
对电池充电的一种替代方案是用另一已充电的电池代替弱的或耗尽的电池。然而，自动更换电池系统的服务站的建设和维护涉及高成本。
近来，已经提出了其它技术，如通过使用特殊软管去除电池内部的电解质或液体并用充满电的电解质替换它来完全给电池充电。尽管这基本上与加油交通工具相对应，以便现有的加油站可以很容易地适应这种应用，但存在所有品牌都应当使用这样的电池和技术的问题，这可能是一个障碍。
在任何情况下，不管与增加电池能量密度以提供更多自主性有关的电池技术发展以及减少充电时间的开发，现有技术的发电机系统导致很多缺点。它们仍然提供非常有限的驾驶自主性，电池需要经常再充电，电池充电时间长，需要非常大的基础设施投资，以及与电网饱和有关并因此需要增加电网数量的问题等。
压电发电机也早已提出。它们基于存在于由作用在压电部件上的机械力而产生电力的效应。早在1880年，jacques和pierrecurie就发现了压电现象。当对诸如石英、电气石、黄玉、蔗糖、罗谢尔盐等的晶体施加压力或机械应力时，会产生电势电荷。
压电效应目前用于许多应用中，举例来说，如发电机。压电发电机包括由基于压电效应的材料制成的压电部件，使得在它们受到机械力时，根据上述压电现象它们变得极化并产生电力。该机械力例如可以来自在道路上行驶的交通工具，例如，由于重量、运动、冲击、振动等，造成其中装配的减震器移动而产生的力。因此由这种机械力产生的电力在现有技术中是已知的。
例如，us3559027、us7936113以及us8143766公开了与交通工具的减震器或悬架相关联的压电发电机的使用。在使用中，压电发电机将所施加的机械能转换成电力，以对电池进行充电，举例来说，如为交通工具提供额外的能源或对混合动力交通工具中的电池进行辅助充电。
一般而言，本领域已知的压电发电机通常包括诸如压电纤维复合材料的压电部件，并且可以分类成两种类型。
第一组压电发电机配备有压电部件，这些压电部件按一个叠加在另一个之上的片层设置。例如，wo2006047926公开了一种与交通工具悬架相关联的用于发电的压电发电机，该压电发电机包括所述第一组压电发电机。
第一组压电发电机的主要缺点在于，由于堆叠的排布结构而造成压电部件中产生的输出电流较小，堆叠的排布结构导致初始作用在压电部件堆上的力仅影响该堆的外层中的压电部件，所述力被逐渐地传送至该堆的内层。
第二组压电发电机包括压电杆，举例来说，如在be881528a1、us8143766或fr2619765中描述的那些。
第二组压电发电机的主要缺点在于，由于使用了压电杆，因而所施加的力导致杆扭转，从而导致力逐渐增大，因此由所设定的压电部件产生的电流不合需要地为低。
在现有技术的压电发电机中，压电部件串联连接，那么输出电压是所有压电部件产生的电压之和。因此，为了获得高电压输出，作用在压电部件上的力应该为高。这导致损坏或破坏压电部件的高风险，无论它们是上述第一组压电发电机还是第二组压电发电机。
因此，迄今为止已经提出的用于利用例如与交通工具悬架相关联的能量来提供电力的压电发电机已经被证明是低效的并且不足以供应用于移动机电交通工具的电力。因此，现有技术中用于交通工具等的压电发电机只能用作额外的能源以部分地移动交通工具等。
因此仍然需要能够有效利用动能(即，动力或负载)的发电机，以将它们转换成电力，来为汽车、摩托车、卡车、机车、火车、飞机、船舶、机械装置等提供动力。
还需要能够从小的力产生电力的发电机。这种发电机还应能够安装在任何位置，以使所述小的力(例如，世界上任何地方的地理上可获的力)可以由发电机适当地接收，以使其可以减少与全球能源需求的不断增加相关联的上述问题。
技术实现要素：
本公开总体上涉及发电和管理领域，并且具体涉及压电发电机系统，已经发现了压电发电机系统以解决现有技术固有的上述问题，同时提供超过现有压电发电机的额外优点，如下文将讨论。
描述了具有大量应用的压电发电机系统，如电动交通工具或机器，而不管它们是陆地、水上或空中交通工具或机器，用于风力或水力发电的应用、与交通工具相关联的应用、在地表面上移动的人或动物，以及与一般发电相关联的应用等等。
本压电发电机系统包括至少一个压电发电机单元。该压电发电机系统可以包括和根据需要一样多的压电发电机单元，来接收机械动态负载或力并将它们转换成电力。
如本文所使用的，动态机械负载或力指的是由压电发电机单元或其值或矢量随时间变化的单元所接收的负载或力。外力或负载例如可以是通过在道路上行驶的交通工具、在轨道上行驶的火车、航行的船舶、飞行的飞机或在轨道上行驶的交通工具、行走在道路上的人或动物连续接收和传送的机动力或负载，其例如因与运动中的质量成比例的重力作用、因不平整的地面、因加速时的惯性、在制动时、右转或左转，甚或因风或水阻力而引起。
本压电发电机系统能够将因这种机械动态负载或力而造成的动能转换成通常要用于操作交通工具、机器以及发电的电力。
本压电发电机系统中的每个压电发电机单元包括压电模块阵列。如本文所使用的，压电模块阵列是指多个电互连压电模块，其按形成矩阵的虚拟行和列适当地设置。该矩阵可以是方形矩阵，即，具有相同数量的行和列；矩形矩阵，即，由不同数量的行和列形成；或者其可以是不规则矩阵，即，不同的行和列中具有可变数量的元素。
每个压电模块都包括压电部件和将在下面进一步描述的交流电流/直流电流转换器(ac/dc转换器)。
可以将不同的材料用于压电发电机中的压电部件。例如，可以使用诸如还称作pzt的锆钛酸铅的陶瓷材料。该pzt材料在将动态负载或力施加在其上时，提供横跨压电体的两个相对表面的电位差。该材料已被证明具有相对低的工作温度(200℃)，它具有成本效益，并且在物理上坚固而在化学上呈惰性。然而，当然不排除用于压电部件的其它合适材料。
施加动态负载或力的压电部件的面积被设计得尽可能小，并且使得其厚度尽可能大。压电部件被制造得足够坚固以承受与其面积正交地施加的动态负载或力。然而，这不是压电部件设计的关键点，因为如下文将说明的，动态负载或力被适当地控制以保护压电模块。
优选的是，至少在压电材料、形状以及尺寸方面，该阵列中的压电部件具有相同类型。然而，压电材料的类型、该阵列的每个压电模块中的压电部件的形状和尺寸可以根据需要而不同，只要串联连接的每组压电模块的端子处的电压总是相同的即可，使得它们可以以电方式彼此并联连接。有利的是，这导致因阵列中压电模块的串联和并联连接的受控状态而获得的高输出功率。
上面所定义的阵列的由多组(虚拟列)压电模块形成的压电模块(每组压电模块皆由多个压电模块(虚拟行)形成)被设置成供应高电功率，例如用于向交通工具供电。然而，如上所述，本压电发电机系统决不限于此应用，而是可以找到宽泛范围的多种不同应用。
如上所述，本压电发电机系统中的每个压电发电机单元包括压电模块阵列。这种压电模块阵列包括多组压电模块。
在设计压电发电机时，应当知道该压电发电机能够产生的功率。该功率与电压和电流成比例，因此该发电机的设计应能达到所需的电压和电流。
为了获得所需的电压，考虑到输出电压是所有压电模块产生的电压之和，将多个压电模块以电方式串联连接。这些压电模块将对应于所述压电模块阵列中的虚拟行。
为了获得所需的电流，考虑到输出电流是所有各组压电模块产生的电流之和，接着将以电方式串联连接的多组压电模块以电方式并联连接。这些组将对应于所述压电模块阵列中的虚拟列。
重点注意的是，针对上述电气连接，所有电连接的各组压电模块的端子处的电压是相同的。
上述ac/dc转换器用于将由压电部件产生的交流电流转换成直流电流的目的。设置在每个压电模块中的ac/dc转换器适合于将小的交流电流转换为受控输出的dc电流。提供了与根据上述阵列的其它压电模块的电气连接。这导致获得连续的高功率输出。
利用上述阵列配置，本压电发电机能够容易地将作用在每个压电部件上的小的力从交流电流转换成直流电流。这相对于现有技术中已知的压电发电机是非常有利的，在现有技术压电发电机中，压电部件串联连接并且仅将所得电流从交流电转换成连续电流从而产生低功率。
如上所述，可以由压电模块阵列供应的电力来自动态负载或力。所述动态负载或力作用在该阵列的压电模块上，并且它们被转换成大致相同的电压。
为此，控制作用在压电模块上的动态负载或力，使得仅有预定量的力以预定施加速度同时并且在同一时间期间作用在每组压电模块上。结果，该阵列中的每一个压电模块以相同施加速度，按同一时间并且在同一时间期间接收相同量的力，使得在所有压电模块中同时产生电流。这个相同量的力在这里将被称为预定触发力或简称为触发力。
为了设定预定触发力的量和在每个压电模块上施加该力的预定速度，提供了输入力控制装置。该输入力控制装置适于控制施加的触发力的量和施加该力的速度，使得其同时并且在同一时间期间施加在该压电模块上，以使通过该压电发电机单元提供电输出功率。
该输入力控制装置包括激活板。这种激活板可以由适于同时机械地作用于所有压电模块的单个部件形成，以便将外部动态负载或力均匀地传送至所有压电部件。为此可以设置引导机构。该引导机构可以包括多个对准和校准的引导件，这些引导件被设置成，使得板部件准确地移动以便同时将所述动态负载或力均匀地分布至压电模块。所述引导装置遍布该压电发电机如此分布，以确保激活板的均匀性，并且使得均匀的正交力以相同施加速度同时并且在同一时间期间作用在所有压电模块上。
激活板被设置成，仅在达到预定量的力时(即，当达到预定触发力预设值时)才移动。当这种情况发生时，这种力通过激活板以相同的预定速度传送至所有压电部件。以这种方式，执行有效的能量管理，使得由压电模块产生的电压和电流被直接且准确地控制，这与本领域已知的压电发电机相反。
输入力控制装置还包括阻尼部件。阻尼部件适于阻尼动态负载，从而通过吸收由压电部件接收的过剩力来保护压电模块。在一个示例中，该阻尼部件可以是选自机械部件、气动部件、液压部件以及磁性部件中的至少一种。在一些所述示例中，该阻尼部件可以包括设置在压电模块后面的具有合适硬度的橡胶部件，以便吸收所述过剩力，使得仅具有预定施加速度的预定值的触发力仅被允许在压电模块上。以这种方式，压电模块进而压电部件以及其它部分被适当地保护免受损坏。
利用上述配置，电压和电流由本压电发电机系统按受控方式生成。通过控制作用在压电模块上的触发力f，由每个压电模块生成的电压也可以被控制。因此，考虑到压电发电机所生成的电压与施加在压电模块上的压力成比例：
vout＝-g33·h·p，
其中，
-g33是以毫伏每米/牛顿为单位的压电电压常数，与针对1米长压电部件，所产生的电位差(以伏特为单位)与施加的力f(以牛顿为单位)的比率相对应；
-h是压电部件的厚度或高度；以及
-p是施加在压电部件上的压力；因为压力是垂直于压电部件的表面按面积(该压力是在所述面积上分布的f)施加的力f，即，p＝f/a，那么：
按相同方式，通过控制施加动态负载或力的速度，由于电流i取决于随着时间(dt)的电荷变化(dq)，因此可以控制来自每个压电部件的电流iout：
因此，通过按相同的预定速度、同时并且在同一时间期间将相同量的力(即，上述触发力)施加至压电模块阵列的每一个压电模块，大量的电力从压电模块阵列生成并传送。
利用上述配置，只需要将少量的触发力以高的速度施加在压电部件的相应较小面积上，即，对压电模块的很大冲击。所述少量的触发力在每个压电部件中产生较小值的ac电流，这些ac电流由与每个压电部件相关联的每个ac/dc转换器单独转换成dc电流。由于压电部件在阵列中彼此串联和并联连接，有利地获得增加的输出电压和增加的输出电流，从而获得高的输出功率。与其中需要大量逐渐增加的力来获得少量输出功率的现有技术压电发电机相比，这是非常有利的。
还可以包括止动构件，该止动构件被设置用于确保输入力控制装置的激活板总是以相同的路径行进至压电模块，使得上述触发力垂直作用于压电模块。
可以包括一个或多个电力储存和供应装置，其中每个都包括电力储存和供应单元。在一些示例中，该电力储存和供应单元可以是电池。然而，可以使用任何其它储能装置或蓄电池和供应装置，只要它们中的至少一个能够在以下运行状态或模式中的一种或更多种下工作即可：
电力储存和供应单元能够在能够储存电力的第一储存状态或模式下工作。在诸如汽车、摩托车、卡车、机车、火车、飞机、轮船或机械装置的交通工具中装配一个或更多个电力储存和供应装置的情况下，它们可以在交通工具等运行时甚或在其固定时，因施加在其上的外部动态负载或力而处于这种储存状态或模式。
该电力储存和供应单元能够以第二供应状态或模式工作，在该第二供应状态或模式下，其能够传送电力，例如用于为汽车、摩托车、卡车、机车、火车、飞机、船舶、机械装置等供电。
该电力储存和供应单元还能够以第三待机状态或模式工作。在该运行状态或模式下，不储存电力，并且不通过电力储存和供应单元传送电力。该电力储存和供应单元可以在该待机运行状态下被完全充电并且根据需要等待切换成供应状态。而且，在待机运行状态下，电力储存和供应单元可以因其它电力储存和供应单元此时处于储存状态而未被充电，并且等待在其它电力储存和供应单元被完全充电时切换成储存状态。
不排除针对上述电力储存和供应单元的其它可能运行状态或模式。
为了从所有压电发电机接收电力并将所述电力供应至电力储存和供应单元，还可以设置至少一个输出控制装置。
可以优选的是，还设置了电荷状况监测装置，其用于监测至少一个电力储存和供应单元的电荷状况和上述运行状态或模式中的至少一个。
如果设置有电荷状况监测装置，则其能够执行许多不同的功能。
例如，电荷状况监测装置能够实时监测多个参数，举例来说，如至少一个电力储存和供应单元的上述储存、供应以及待机运行模式。该电荷状况监测装置还可以实时监测至少一个电力储存和供应单元的电荷状况。这例如可以用百分比来表示。
该电荷状况监测装置还能够将关于所述参数的实时信息发送给外部系统。该外部系统例如可以包括用于至少显示所述信息的显示屏。
基于电力储存和供应单元的电荷状况执行储存、供应以及待机运行模式或状态之间的切换。在所述运行模式或状态之间的切换可以通过与上述电荷状况监测装置相关联的切换装置来执行。
可能存在这样的情况，即，上述电荷状况监测装置适于处理关于与电力储存和供应单元相关联的参数的所述信息，并因此能够将指令直接发送给切换装置以在一个或多个电力储存和供应单元的所述运行模式或状态之间切换。在其它情况下，电荷状况监测装置仅收集关于与电力储存和供应单元相关联的参数的这种信息并将其发送至切换装置。在这种情况下，该切换装置负责处理所述信息，以决定何时切换电力储存和供应单元的运行模式。
还可能存在本压电发电机系统不具有电荷状况监测装置的情况。在该特定情况下，该切换装置适于根据电力储存和供应单元的电荷状况在其所述运行模式或状态之间自动切换。
至于上述切换装置，其可能适于至少按以下情况操作。
当一个或多个电力储存和供应单元已经耗尽或消耗至预定最小可接受电荷(举例来说，如已经到达5％)并且在那时没有电力储存和供应单元处于储存模式时，该切换装置能够将一个或更多个电力储存和供应单元从供应状态切换成储存状态。
当所述一个或多个电力储存和供应单元已经耗尽或消耗并且已经到达预定最小可接受电荷(举例来说，如5％)并且至少一个附加电力储存和供应单元储存模式下可用时，该切换装置也能够将一个或更多个电力储存和供应单元从供应状态切换成待机状态。
当所述一个或多个电力储存和供应单元被完全充电并且等待切换成供应状态时，该切换装置还能够将一个或更多个电力储存和供应单元从储存状态切换成待机状态。
当因至少一个电力储存和供应单元(其先前已经处于供应状态)已经完全耗尽或消耗或者到预定最小可接受电荷(举例来说，如5％)并且被切换成储存模式或待机模式而必须供电时，该切换装置还能够将一个或更多个电力储存和供应单元切换成供应状态。
当至少一个电力储存和供应单元(其先前已经处于储存状态)已经完全充电并且被切换成待机模式或供应模式时，该切换装置还能够将一个或更多个电力储存和供应单元从待机状态切换成储存状态。
最后，对于一个或多个电力储存和供应单元(其先前已经处于供应状态)已经完全耗尽或消耗或到预定最小可接受电荷(举例来说，如5％)并且被切换成待机模式或储存模式的情况来说，该切换装置还能够将一个或更多个电力储存和供应单元从待机状态切换成供应状态。
在任何情况下，重点注意的是，本系统中的压电发电机的尺寸应被形成为，使得对电力储存和供应单元完全充电所需的时间短于在传送电力时由电力储存和供应单元进行放电所花费的时间。因此，当交通工具、机器等在使用中或者运行时，对电力储存和供应单元再充电执行得比电力储存和供应单元放电更快。结果，该压电发电机系统能够提供具有无限自主性的电动交通工具或机器。
本公开还涉及包括上述压电发电机系统作为电源的电气系统。
例如，所述电气系统的每个压电发电机系统的压电部件可以由从电动交通工具和电动机器中的至少一个的一个或更多个移动部分产生的至少一个动态负载来驱动。因此，本压电发电机系统可以安装在任何类型的电机上，使得所有可能的动态负载或力可以转换成电力，而无论它们来自外部原因还是机器自身的振动。
在电气系统与电动陆地交通工具相关联的上述示例中，多个压电发电机可以适于安装在交通工具的一个或更多个位置处。这样的位置可以是选自以下各项中的至少一个的一个或更多个：减震器连接到交通工具转向装置的减震器底部；减震器弹簧与减震器弹簧下支撑件之间；减震器与悬架之间；马达与马达锁定系统之间；悬架与机体之间；机架前轴与机体之间；机架后轴与机体之间，以及交通工具座位下方。然而，所描述的本发明压电发电机系统可以安装在交通工具的、其中动态负载或力可以被接收以转换成电力的任何其它位置中。
在本压电发电机系统安装在水运工具中的示例中，即使水运工具随着发动机关闭而被拴住时，该水运工具也会不断接收诸如来自波浪和风的外力。在这种情况下，多个压电发电机可以安装在船舶的几个位置中，在这些位置可以例如从船体的淹没部分和外部部分、以及船员和乘客的座位、穿过地板等接收外部和内部的动态负载或力两者。
在本压电发电机系统安装在飞行器中的示例中，在起飞期间、在飞行期间、在着陆期间以及在交通工具越过轨道期间接收的力是极大的，因此有一个非常大的能量源可用。多个压电发电机可以安装在交通工具的几个位置中，以接收外部和内部的动态负载，如来自减震器、机翼、机身的其它部分、船员和乘客的座位等。因此，利用所接收的负载和力以及整个装置上的高振动的优势，可以生成大量的能量，这些能量可以储存在电池中，以供在飞机再次起飞时对它们充电，因为其在消耗更多能量时处于飞行阶段。
针对本压电发电机系统的又一个应用示例对应于由诸如水或风的自然力生成的动态负载。在这种情况下，该压电发电机可以安装在水电厂或风力发电厂，从而获得重要优势。一个重要的优点是，本压电发电机能够从小的力生成能量，使其可以安装在工厂的多个位置中，以利用许多更动态的负载或周围的力。另一重要的优点是，本压电发电机在将机械能转换成电力方面效率更高，使得在相同的力的情况下，比当前能量生成方法占用更少空间，可以产生更多的功率。例如，本压电发电机还可以安装在河床中、海床上、海岸上、山坡上、高层建筑外墙上，以及可以收集大量小的力的任何普通地方。
本压电发电机的应用的又一示例是将由行驶在道路上、轨道上、街道上还有建筑物、农场等中的诸如汽车、摩托车、卡车、火车、电车的交通工具甚至人或动物所生成的机械能转换成电力。在这种情况下，可以将多个本压电发电机安装在公交道(transitroad)、高速公路、轨道等上。这也适用于飞机在起飞或着陆期间利用在跑道上移动的优点。
除了上述可以将本压电发电机系统应用于在道路上行驶的诸如汽车、摩托车、卡车、飞机、船舶等的交通工具以及在铁道上行驶的火车、电车以外，当然也不排除其它应用。
因此，本压电发电机系统在各种各样的领域中得到应用，如交通运输、电力用地、海洋和航空交通工具、摩托车、卡车、机车、火车、飞机、船舶以及一般机械装置，风力和水利应用以及许多其它应用(如在地表面上移动的交通工具、人或动物相关联的应用等)。
本压电发电机系统可以应用于上述应用中的至少任一个，而不需要对其部件进行特殊改变。根据发电机放置的位置和与其相关联的激活板，只需要最小的变化(举例来说，如压电模块的形状)来适应特定应用。在任何情况下，本压电发电机系统的工作原理总是与上述保持相同。
在所有上述应用以及许多其它应用中，本压电发电机系统已被发现提供高功率dc输出，同时有助于环境友好和可再生资源的改进。
利用本压电发电机系统，有利地提供无限的操作自主性，使得不管该压电发电机系统被用于何种应用，都不需要加燃料或电池再充电。
本领域技术人员通过查阅本描述，将清楚本压电发电机系统的示例的附加目的、优点以及特征，或者可以通过其实践来学习。
附图说明
下面，参照附图，通过非限制示例的方式，对本压电发电机系统进行描述，其中：
图1是压电发电机系统的一个示例的图解视图；
图2是一个压电模块的图解视图；
图3是作为图2所示的压电模块的一部分的ac/dc转换器的一个示例的图解电路图，其中曲线图示出了横跨ac/dc转换器的不同级的电压的不同形式；
图4是一个压电模块阵列的图解视图；
图5是一个压电发电机单元的图解视图；
图6是示出第一电池和第二电池的电力电平随时间的变化以及在电池运行状态或模式之间切换的图形；
图7是其中安装了本压电发电机系统的陆地交通工具的图解俯视平面图以及其中涉及的机械动态负载或力的示例的表示图；
图8是图7所示的陆地交通工具的侧正视图；以及
图9和10是示出本压电发电机系统的应用的另一示例的概要图。
具体实施方式
下面结合附图给出的压电发电机系统的示例整体上由标号100指示。
该示例的压电发电机系统100具有大量的应用，如陆地、水上和空中电动交通工具或机器，以及诸如风力和水力发电厂的其它应用，甚至与在地表面上移动的交通工具、人或动物相关联的应用，以及与一般发电相关联的应用等等。
在所示的特定非限制示例中，压电发电机系统100被用于图7和图8中所示的电动交通工具1000中。电动交通工具1000的具体细节将在下面给出。
在该示例中，压电发电机系统100配备有一个压电发电机单元650。然而，本领域技术人员将认识到，可以根据具体应用，按照需要包括任何其它数量的发电机单元650。
压电发电机单元650安装在电动交通工具1000的不同的合适位置中，以接收机械动态负载或力f1,f2…fn并将它们转换成电力。压电发电机单元650的具体位置应当使得电动交通工具1000中涉及的所述机械动态负载或力f1,f2…fn的使用被优化。压电发电机单元650可以放置在电动交通工具1000中的位置的示例可以为连接至交通工具转向装置的减震器的底部、减震器弹簧与减震器弹簧下支撑件之间、电动交通工具1000的减震器与悬架之间、马达与马达锁定系统之间、电动交通工具1000的悬架与机体之间、电动交通工具1000的框架前轴与电动交通工具1000的机体之间、电动交通工具1000的框架后轴与电动交通工具1000的机体之间、以及电动交通工具1000的座位下方等。适于接收来自电动交通工具1000的机械动态负载或力f1,f2…fn并将它们转换成电力的其它位置当然可以。
因此，在本具体示例中，压电发电机系统100包括安装在电动交通工具1000中的一个压电发电机单元650，使得机械动态负载或力f1,f2…fn随着电动交通工具1000在道路1100上行驶，因地面不平坦、因加速引起的惯性、制动、向右或向左转，甚或因风阻而被悬架接收和传送。
该示例中的每个发电机单元650包括电互连压电模块mji,i的阵列400。已经在图4中示出了压电模块mji,i的阵列400的一个非限制示例。阵列400包括按行和列设置以形成矩阵的许多相互关联的压电模块mji,i(如下面还将结合图4进一步说明的)。由阵列400限定的矩阵在这种情况下是方形矩阵。然而，该矩阵根据需要可以是矩形矩阵或不规则矩阵。
参照图3，每个压电模块mji,i包括压电部件eji,i和交流电流/直流电流转换器(ac/dc转换器)cji,i。压电部件eji,i和ac/dc转换器cji,i都封装在压电模块mji,i中。如图3所示，ac/dc转换器cji,i包括滤波器级910和电压调节器级920。在所示ac/dc转换器cji,i中，随着电流流过滤波器级910，来自压电部件eji,i的电压va被转换成减小的纹波电压vb，其接着在经过电压调节器级920之后被转换成dc电压vji,i，具有输出dc电流iji,i。
如图4所示，压电模块mji,i的阵列400包括多组i的压电模块mji,i。各组i中的多个j1,j2,j3,…ji压电模块mji,i以电方式彼此串联连接。每个压电模块mji,i又包括上述压电部件eji,i和ac/dc变换器cji,i。多组i的压电模块mji,i以电方式彼此并联连接。
如下面将进一步描述的，在每个压电模块mji,i中的ac/dc转换器cji,i能够将由作用在每个压电部件eji,i上的力f产生的小的交流电流转换成受控输出dc电流。结果，有利地获得了连续的高功率输出。
根据上述，压电模块mji,i的阵列400由包括多个列(压电模块mji,i的组i)和多个行(j1,j2,j3,…ji压电模块mji,i)的矩阵限定。阵列400的列i和行j1,j2,j3,…ji被设置成向电动交通工具1000供应电力。因此，压电模块mji,i的阵列400接着可以由下面的矩阵来限定：
m1，1，m1，2，m1，3，…，m1，i
m2，1，m2，2，m2，3，…，m2，i
m3，1，m3，2，m3，3，…，m3，i
…
mj1，1，mj2，2，mj3，3，…，mji，i
在这里描述的示例中，包括在阵列400中的所有压电部件eji,i在压电材料(它们都制成pzt，锆钛酸铅)、几何形状(它们是圆柱形的)和尺寸(它们都具有其中要施加的力f尽可能小的面积a，并且它们都具有尽可能大的厚度)方面是相同类型。
电互连压电模块mji,i的阵列400的以上配置导致在压电模块mji,i的所有电连接组i中的端子处的电压vout是相同的。
为了控制和调节在电动交通工具1000中涉及的动态负载或力f1,f2…fn，以使具有同时并且在同一时间期间作用于每组i的压电模块mji,i上的预定触发力f，提供了输入力控制装置700。
图1、图2以及图5中示出了输入力控制装置700的一个示例。在该示例中，输入力控制装置700包括：激活板750、阻尼部件760、引导机构770以及固定板780。
输入力控制装置700的激活板750由单个部件形成，该单个部件被设置成仅在达到预定量的触发力f时才移动。这样的预定触发力f因此被激活板750同时地且均匀地传送到压电发电机单元650的所有压电模块mji,i。
图5示出了输入力控制装置700的引导机构770。引导机构770旨在用于当激活板750被来自交通工具1000的动态负载或力f1,f2…fn驱动时引导该激活板750。为此，引导机构770包括多个对齐和校准的引导件，这些引导件被设置成使得激活板750准确地移动以按施加所述力f的预定速度将所述预定量的力f均匀分布至压电模块mji,i。引导机构770协作以确保力f在相同的施加速度下，同时并且在同一时间期间正交地施加在所有压电模块mji,i上。
输入力控制装置700的阻尼部件760旨在用于阻尼来自交通工具1000的动态力或负载f1,f2…fn，以防止压电模块mji,i被过大的力或负载f1,f2…fn损坏。在图1、图2以及图5所示示例中，阻尼部件760包括设置在压电模块mji,i后面的硬度合适的橡胶垫。
图5示出了输入力控制装置700的固定板780。固定板780的主要目的是附接压电模块mji,i。对压电模块mji,i进行校准，以便使全部具有相同的定位并且全部具有完美的平面性。固定板780的另一个目的是牢固地保持激活板750，以便如上所述随着施加所述力f的预定速度均匀分布预定量的力f。
在压电发电机系统100中还设置有后盖790，其用于封闭发电机单元650并且附接至电动交通工具1000的合适部分，如上所述。
下面，转至图1，如图1所示，提供了皆包括两个电力储存和供应单元250的电力储存和供应装置200。在这里描述的特定情况下，每个电力储存和供应单元都包括电池250。由此，电力储存和供应单元250在下文中将被称为电池。因此，在该示例中，电力储存和供应装置200包括第一电池250和第二电池250。
在本压电发电机系统100，发电机单元650中的第一电池和第二电池250能够按三种不同的运行状态或模式工作：
-第一储存运行状态或模式，其中，电池250能够储存由对应压电发电机单元650生成的电力；
-第二供应运行状态或模式，其中，电池250能够传送电力来为电动交通工具1000供电；以及
-第三待机运行状态或模式，其中，没有储存电力并且没有电力通过电池250传送至电动交通工具1000。
根据需要，可以设置更多的电池250在不同的运行状态或模式下工作。一般来说，每个电力储存和供应装置200中的任何电池250都能够根据上述三种运行状态或模式工作。
下面，结合图6所描绘的图形，对电池运行状态或模式之间的切换进行描述。在所图形中，线a对应于第一电池250的电力电平，而线b对应于第二电池250的电力电平。
根据图6，在时间t0，第一电池250处于完全充电状态，即，处于由线a所示的电力电平的最大值(max)。因此，第一电池250准备好工作在向电动交通工具1000供应电力的供应运行状态下。另一方面，第二电池250处于其最小电力电平，即，处于由线b所示的电力电平的最小值(min)。因此，第二电池250准备好工作在储存运行状态下，以储存由电动交通工具1000中的对应压电发电单元650生成的电力。
在时间间隔t0-t1期间，第一电池250处于在向电动交通工具1000供应电力的供应运行状态下。为此，其由线a所示的电力电平值随着时间t而减小。另一方面，第二电池250处于储存运行状态下，以储存由电动交通工具1000中的对应压电发电单元650生成的电力。为此，其由线所示电力电平值随着时间t而增加。
在时间t1，达到第二电池250的电力电平的最大值(max)，而由线a所示的第一电池250的电力电平仍然在下降。
在时间间隔t1-t2期间，由线b所示的第二电池250的电力电平的最大值(max)保持恒定，同时第二电池250按电力电平的所述最大值(max)保持在待机运行状态。在所述时间间隔t1-t2期间，由线a所示的第一电池250的电力电平(其仍处于供应运行状态下)仍在下降。
在时间t2，达到第一电池250的电力电平的最小值(min)。而且在时间t2，在两个电池250的运行状态之间发生切换。第一电池250的供应运行状态被切换成储存运行状态，使得从时间t2开始，第一电池250开始储存由对应压电发电机单元650生成的电力，并因此其由线所示的电力电平值从时间t2起随着时间t如线a所示增加。在同一时间t2，第二电池250被切换成用于给电动交通工具1000供电的供应运行状态，使得从所述时间t2起，第二电池250开始向电动交通工具1000供应电使得其由线所示的电力电平值从时间t2起随着时间t如线b所示降低。
在时间间隔t2-t3期间，达到由线a所示的第一电池250的电力电平的最大值(max)，而由线b所示的第二电池250的电力电平仍然随着时间t降低。
在时间间隔t3-t4，由线a所示的第一电池250的电力电平的最大值(max)保持恒定，同时所述第一电池250按所述电力电平的最大值(max)保持在待机运行状态。在所述时间间隔t3-t4期间，由线b所示的第二电池250的电力电平(其仍处于供应运行状态下)仍在下降。
在时间t4，达到第二电池250的电力电平的另一最小值(min)。而且在时间t4，在两个电池250的运行状态之间发生另一切换。第一电池250的待机运行状态被切换成用于向电动交通工具1000供应电力的供应运行状态，并因此由线a所示的其电力电平下降。同时，第二电池250被切换成储存运行状态，以储存由对应压电发电机单元650生成的电力，并因此其由线b描绘的其电力电平增加。
重点注意的是，如图6所示，时间间隔t0-t1短于时间间隔t0-t2。这意味着第二电池250达到其最大电力电平(max)的充电时间总是短于第一电池250的放电时间。同样地，时间间隔t2-t3比时间间隔t2-t4短。这意味着第一电池250达到其最大电力电平(max)的充电时间总是比短于第二电池250的放电时间。
一般而言，压电发电单元650的大小被设定成，使得对电池250进行完全充电所需的充电时间比在向电动交通工具1000供应电力时使电池250完全放电所需的充电时间短。
图6中所示的上述循环无限地重复，或者至少在收到外部动态力或负载f1,f2…fn的时候，从而导致电动交通工具1000的操作的无限自主性，因为不需要外部电池再充电操作。
在电池250的所述储存、供应以及待机运行模式或状态之间切换借助于切换装置300来执行。切换装置300能够基于电池250的电荷状况在上述运行模式或状态之间切换。可以设想的是，电池250的运行模式或状态之间的切换可以根据需要自动执行。
切换装置300与电荷状况监测装置600相关联。电荷状况监测装置600能够实时监测电力储存和供应装置200中的电池250的电荷状况(其例如可以用百分比表示)，以及它们的运行状态或模式。该电荷状况监测装置600还能够将关于所述参数的实时信息发送给外部系统610。图1中示意性地示出了外部系统610，部系统610包括显示屏620，显示屏620用于显示来自电荷状况监测装置600的所述信息以及与电池250和电力储存和供应装置200的其它部分有关的其它参数。
如图1所示，还提供输出控制装置800。输出控制装置800旨在确保从所有压电发电机单元650接收电力并将所述电力供应给电池250。
下面，给出了电动交通工具1000中的本压电发电机系统100的发电机单元650的并且特别是压电模块mji,i的阵列400的尺寸设定的一个示例。
该示例的电动交通工具1000配备有两个标准电池250，每个标准电池250都具有60kwh的电池容量bc。这赋予电动交通工具1000有370km的自主性a。考虑到130km/h的最大授权速度，每个电池250的最大再充电时间rtmax是2.85小时。
根据上述内容，考虑到上述两个电池250中的每个电池的充电时间和大约75％的效率
因此，压电发电机系统100的压电发电单元650应当能够生成大约26350w的理论电功率pout-tot-t。应注意的是，在这个示例中，在最坏的情况下已经确定了每个压电发电机单元650的理论电功率pout-tot-t，即，考虑到上述75％的效率，用于在130km/h的恒定速度下在2.85小时的行驶时间期间，为60kwh标准电池250再充电以获得370km的行驶自主性。
可以由每个压电发电机单元650生成的输出电压vout与根据压电电压常数g33施加在压电模块mji,i上的压力p成比例。这种压电电压常数g33(以伏每米/牛顿，vm/n为单位)对应于由针对1米长压电部件施加的力或负载f1,f2…fn(牛顿)而生成的电位差(伏特)的比率。由此：
vout＝g33·h·p
如上所述，压电模块mji,i中的压电部件eji,i的形状为圆柱形。每个压电部件eji,i的高度h为3mm，直径d为5mm。
考虑施加在每个压电部件eji,i上的压力p对应于垂直于其上分布有所述力或负载f的表面所施加的每面积a的力或负载f，即，p＝f/a，那么：
利用包括压电部件eji,i的压电模块mji,i，其具有0.035vm/n的压电电压常数g33，则当由输入力控制装置700将由压电模块mji,i中的每一个所接收的触发力f设定为5n时，每个压电部件eji,i能够生成以下输出电压vout：
根据如下表1所示的多种配置，根据力f的参数和压电部件eji,i的尺寸，可以考虑针对输出电压vout的其它值。
表1
表1(续)
如上所述，通过方形矩阵定义压电模块mji,i的阵列400，其中压电模块mji,i的组i的数量与每组i中的压电部件eji,i的数量相同，那么压电模块mji,i的j＝j1＝j2＝…＝ji。然后，在该特定情况下：i＝j。
每个压电模块mji,i又设置有包括标准lm7824调节器的ac/dc转换器cji,i。lm7824调节器提供24v的输出dc电压vji,i。触发力f施加在所有压电模块mji,i上的速度通过激活板750来设定，使得每个压电模块mji,i中的输出电流iji,i为1.5a。因此，每个压电模块mji,i给出24v的输出dc电压vji,i和1.5a的输出电流iji,i。
电互连压电模块mji,i的正方形阵列400接着可以针对该示例中的压电发电机单元650被如下限定。压电发电机单元650中的输出电压vout在压电模块mji,i的每个组i中是相同的。由于每组i的压电模块mji,i都具有j个压电部件，那么在每组i的压电模块mji,i的输出端处的总电压vout-tot和总电流iout-tot分别是：
vout-tot＝vji，i·j
iout-tot＝iji，i·i
理论电功率pout-tot-t通过将以伏特为单位的输出电压vout-tot乘以以安培为单位的输出电流iout-tot来确定，使得：
pout-tot-t＝vout-tot·iout-tot
然后，由压电发电机单元650生成的总理论电力pout-tot-t为：
pout-tot-t＝vout-tot·iout-tot＝(vji，i·j)·（iji，i·i)
用上述值替换得到：
pout-tot-t＝(24·j)·(1.5i)
26350＝(24·j)·(1.5·i)
如上所述，在所示的示例中使用压电模块mji，i的方形阵列400，其由i组压电模块mji，i限定，每组都具有j个压电部件，即，i＝j，并由此：
26350＝(24·j)·(1.5·i)＝(24·j)·(1.5·j)＝(24·1.5)·j2
26350＝36·j2
根据上述内容，然后，可以确定压电模块mji，i的阵列400中的压电部件的总数j如下：
因此，在本非限制示例中，i＝j＝28，使得需要压电发电机单元650皆具有压电模块mji，i的阵列400，该阵列包括28组i的并联连接压电模块mji，i，每组都具有串联连接的28个压电模块mji，i。这导致压电模块mji，i的总数为28×28＝784。
根据上面限定的压电模块mmji，i的阵列400，可以确定总电压值vout-tot、电流iout-tot以及实际功率pout-tot如下：
vout-tot＝24x28＝672v
iout-tot＝1.5×28＝42a
pout-tot＝vout-tot×iout-tot＝672×42＝28.22kw
下表2中示出了为向迄今为止最畅销的电动交通工具赋予无限自主性所需的最小压电发电机单元650的示例。
表2
在上表2中，交通工具1是fordfocuselectric，交通工具2是mitsubishii-miev，交通工具3是volkswagene-up！，交通工具4是bmwi3，交通工具5是renaultzoe，交通工具6是renaultfluenzez.e.，交通工具7是nissanleaf，交通工具8是volkswagene-golf，交通工具9是kiasoulev，交通工具10是teslamodels60，以及交通工具11是teslamodels85。
在上述针对本示例中的压电发电单元650的尺寸设定中，考虑了正常的重力，即，1g。根据电动交通工具1000的重量，多个不同的压电发电机单元650可以根据作用于压电模块mji,i的机械动态负载或力f1,f2…fn适当地进行尺寸设定，以将它们转换成电力。
本示例中的电动交通工具1000是标准车重m＝2175kg(空载)，其对应于mg＝2175·981＝21337n。该电动交通工具1000装配有本压电发电机系统100，其具有多个压电发电机单元650，每个单元都包括上述确定的784个压电模块mji,i。每个压电发电机单元650被设定成，传送5n的触发力(对应于总共3920n)。压电发电机单元650装配在电动交通工具1000的悬架中，在悬架中在弹簧的下部支撑件与弹簧本身之间。为了增加发电容量，压电发电机单元650装配在电动交通工具1000的四个减震器附近。动态负载或力f1,f2…fn可以被转换成电力的其它位置也是可以的。
作用在(在道路1100上行驶时的甚或在停止时的)电动交通工具1000上和/或由所述电动交通工具1000传送的动力负载或力f1,f2…fn因此被分布成同时作用于相同数量的小压电部件eji,i上的多个小触发力f。重点注意的是，小触发力f被变换成对应的小ac电压，小ac电压进而由对应的ac/dc转换器cji,i转换成dc电压vji,i。通过电互连压电模块mji,i的阵列400的上述特定连接，串联的每个组i中的压电模块mji,i的电气连接允许输出电压vout增加，而并联的多组i的压电模块mji,i的电气连接允许输出电流iout增加，从而获得输出电功率pout的高值。
然而，在实践中，动态负载或力f1,f2…fn以大于上述1g的重力值进行施加，以使可以生成更多的电力。标准交通工具通常被设计成承受从大约5g到10g的振动和加速度。因此，例如考虑到在电动交通工具1000中的按2g的f1,f2…fn，即，在19.62m/s2的加速度下，将大约m·2g＝2175·19.62＝42673.5n的总力f1,f2…fn传送至压电发电机单元650，使得为电动交通工具1000产生更多的电力。
在装配有包括压电发电机单元650的本压电发电机系统100的电动交通工具1000中，不需要再加燃料，也就是说，该电动交通工具不需要停止以用于再充电或更换电池250。在电动交通工具1000正在行驶时并且甚至在电动交通工具1000因所接收的外力f1,f2…fn而停止时，电池250被再充电。
尽管这里仅公开了本压电发电机系统的特定示例，但本领域技术人员应当明白，其它另选示例和/或用途以及其明显的修改例和等同物都是可以的。
例如，在这里描述的示例中，压电发电机系统100已经安装在用于在道路1100上行驶的电动交通工具1000(即，汽车)中，使得来自动态负载或力f1,f2…fn的动能被有效地变换成电力。然而，对于本领域技术人员而言显见的是，本压电发电机系统100也可以安装在其它陆地交通工具(如摩托车、卡车、火车、电车、机车)以及海运工具和飞行器(如飞机、船舶，以及一般机械装置)中。这里描述的压电发电机系统100也可以安装在用于发电的风力和水利发电厂中。
在图9的概要图中，示出了本压电发电机系统100的应用的另一示例。在图9的该示例中，压电发电机系统100安装在地面1100下方。在所述概要图中，对应于公交道、高速公路、跑道等的不同地面由标号1100共同指示，其上可以行进或行走机动交通工具1001、卡车1005、摩托车1010、人1016(举例来说，如乘客)以及飞机1020。
在图10的概要图中，已经例示了火车1025位于铁道1110上。
在图9和图10的概要图所示的两个示例中，压电发电机系统100被安装成，使得压电发电机单元650分别设置在诸如图9和10中的地面1100或铁道1110的表面下方，并且具有对应电力储存和供应装置200以及连接至其的对应输出控制装置800。
利用上述配置，压电发电机系统100能够捕获来自在地面1100或铁道1110上行进或行走的所述机动交通工具1001、卡车1005、摩托车1010、乘客1015、飞机1020以及火车1025的动态力f1,f2…fn并将它们变换成电力。
下表3包括压电发电机650的、针对具有压电部件eji,i的电互连压电模块mji,i的方形阵列400的不同配置的示例，对于用于每个压电模块mji,i的2n的预定触发力f和来自每个压电模块mji,i的1.5a的电流值，具有以下特征：
-压电电压常数：g33＝0.04vm/n
-高度：h＝0.04m
-直径：d＝0.003m。
表3
上表3示出了可以由本压电发电机系统100生成的高的功率输出量。
从图9和图10的概要图中所示的示例可以明显看出，本压电发电机系统100的一个重要优点是，因为其可以安装在多个位置，所以能够从较小的动态负载或力f1,f2…fn来生成能量。例如，如表3所示，包括2×2个压电模块mji,i的阵列400的一个压电发电机单元650能够从0.82kg的动态负载生成340w的电功率。在这个示例中，考虑到每个压电部件eji,i的直径为3mm，压电发电机单元650的尺寸被有利地减小。可以安装大量的压电发电机单元650，其中每个都能够从小的力生成高电力。
可以安装本压电发电机的位置的进一步例子有河床、海床、海岸、山坡、高层建筑外墙，以及通常可以收集大量较小的力f1,f2…fn的任何地方。
针对本压电发电机系统100的又一个应用示例对应于捕获由诸如水或风的自然力生成的动态负载f1,f2…fn。在这种情况下，该压电发电机单元650可以安装在水电厂或风力发电厂，从而获得重要优势。
另一额外重要的优点是，本压电发电机100在将机械能转换成电力方面效率更高，使得与当前能量生成方法相比，在相同的力的情况下，可以产生更多的电力，占用更少的空间。再次参照表3，利用包括压电发电机单元650的压电发电机100，该压电发电机单元具有125×125个压电模块mji,i的阵列400，从3186kg的动态负载可以生成13mw的电量。考虑到每个压电部件eji,i的直径为3mm，压电发电机单元650的尺寸被有利地减小。例如，可以将大量的压电发电机单元650安装在水利发电厂中，生成大量电力。考虑到目前的水力发电厂被认为在发电量大约大于10mw时产生大量的电力，这是非常有利的。
在所有预期应用中，本压电发电机系统100可以被安装以高效地工作，而不需对其部分进行特殊改变，只需进行最小的改变，举例来说，如压电模块mji,i的配置。在任何情况下，本压电发电机系统100的工作原理总是与上述保持相同。
因此，本公开涵盖在此描述的特定示例的所有可能组合，使得该范围不应被所述特定示例限制，而是应当仅通过公正地阅读下面的权利要求书来确定。
权利要求书中与附图有关并且放在括号内的标号仅仅为了试图提高其可理解性，而不应被解释为限制其范围。