Institut für Nachrichtentechnik Christian Lange Betreuer: Martin Stemick Technische Universität...

Institut für Nachrichtentechnik

Christian Lange

Betreuer: Martin Stemick

Technische Universität Hamburg-HarburgInstitut für Nachrichtentechnik

E-Mail: [email protected]; [email protected]

6. Junior-Treffen, 10.07.2008

Entwicklung einer solarbasierten Energieversorgung für

IRIS-Sensorknoten

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Motivation

Wie kann ein Backbone aus Sensorknoten dauerhaft versorgt werden?

Idee: Mit Sonnenenergie und einer Solarzelle• Autark• Ausgereifte Technologie• Vielzahl von Modultypen verfügbar• Flexibler Anbringungsort

Deshalb: Entwicklung einer solarbasierten Energieversorgung

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Inhalt

• Anforderungen an die Energieversorgung

• Das entwickelte Konzept

• Stand der Arbeit

• Nächste Schritte

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Anforderungen

• Ausfallsicherheit auch während Wintermonaten

• Betrieb innerhalb eines weiten Temperaturbereiches von -20°C bis +50°C

• Gute Handhabbarkeit der Energieversorgung

• Hohe Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Energieversorgung

• An verschiedene Energieverbräuche anpassbar

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Konzept

Solarzelle Energiespeicher

Ladeschaltung/

Laderegler

Anforderungen derSensorknoten im

Backbonenetz

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Konzept

SolarpanelUnenn: 3,9V

Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator

Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V

Imax: 200 mA

Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V

Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA

Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V

Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah

Energiepfade

Steuerpfade und Kontrollsignale

IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

7


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA



Energiepfade


IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

Pufferkondensator

8


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA



Energiepfade


IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

Pufferkondensator

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Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA



Energiepfade


IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

10


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA



Energiepfade


IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

11


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA



Energiepfade


IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

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Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator

Temperatur-kompensation



Energiepfade


EinstellenderLadespannung

IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA

13


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator




Kontroll-schaltung

Bypass

Energiepfade



Kontrolsig.


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA

IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

14


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator




Kontroll-schaltung

Bypass

Energiepfade



Kontrolsig.


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA

IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

15


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator




Kontroll-schaltung

Bypass

Energiepfade


Ein/Aus


Kontrolsig.


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA

Notfall Batteriez.B. 2 X 1,5 V

TrockenbatterieNiMh, Li

IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

16


Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator




Kontroll-schaltung

Bypass



Energiepfade


Ein/Aus


Kontrolsig.

Temperatursensor


Imax: 200 mA


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA

IRIS

Kno

ten

I/O A

DC

Versorgung

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Institut für NachrichtentechnikIR

IS K

note

n I/O

AD

C V

ersorgung

Temperatursensor


Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA



Konzept


Uleerlauf: 4,9 V

Pufferkondensator




Energiepfade



Kontrolsig.


Imax: 200 mA

Zustände:

1. Laden aktiv

2. Akku ist tiefentladen

3. Akku ist fast voll

4. Bypass aus der Solarzelle

Zustände:

1. Laden aktiv

2. Akku ist tiefentladen

3. Akku ist fast voll

4. Bypass aus der Solarzelle

Kontroll-schaltung

Bypass

Interessante Spannungen:

1. Solarzellen-Spannung

2. Akkuspannung

3. Spannung des IRIS-Knotens

4. Spannung der Pufferbatterie

Interessante Spannungen:

1. Solarzellen-Spannung

2. Akkuspannung

3. Spannung des IRIS-Knotens

4. Spannung der Pufferbatterie

IRIS

Kno

ten

I²C A

DC V

ersorgung

Zustände

Spannungen

Ein/Aus

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Features der Energieversorgung

• Stand alone: Zur Funktion ist keine Software erforderlich, lediglich zur Kontrolle des Status

• Integrierbar: Die Platine ist an den IRIS-Knoten ansteckbar und ermöglicht weiterhin das Anstecken zusätzlicher Erwiterungsboards

• Guter Wirkungsgrad: Erreichbar durch die Arbeitspunktoptimierung der Solarzelle und der Verwendung von Schaltwandlern sowie eine niedrige Stromaufnahme der Gesamtschaltung

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Features der Energieversorgung

• Ausfallsicherheit: Durch eine Notfallbatterie kann die Ausfallsicherheit erhöht werden

• Skalierbar: Die Energieversorgung kann an andere Energieverbräuche angepasst werden

• I²C-Interface: Sämtliche Zustände und Spannungen sind über eine I²C-Schnittstelle auslesbar nur ein ADC-Pin wird somit benötigt

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Stand der Arbeit

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Nächste Schritte

• Inbetriebnahme abschliessen

• Labortests

• Dauertests mit Datenübertragung und Speicherung in MySQL

• Bewerten der Testergebnisse

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Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!

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