Mikro-Energietechnik: Energie aus ... -...
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www.hsg-imit.de Energie aus Maschinenumgebungen Vibration-Energy-Harvesting Bernd Folkmer Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard Gesellschaft e.V. HSG-IMIT Wilhelm-Schickard-Str. 10, D-78052 Villingen-Schwenningen, Germany phone: +49 7721 943-145 fax: +49 7721 943-210 email:[email protected] Mikro-Energietechnik DTG Jagresversammlung 2011, Freiburg, B. Folkmer / 17.11.2011 / Folie 1
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Energie aus Maschinenumgebungen
Vibration-Energy-Harvesting
Bernd Folkmer
Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard Gesellschaft e.V.
HSG-IMIT
Wilhelm-Schickard-Str. 10, D-78052 Villingen-Schwenningen, Germany
phone: +49 7721 943-145 fax: +49 7721 943-210 email:[email protected]
Mikro-Energietechnik
DTG Jagresversammlung 2011, Freiburg, B. Folkmer / 17.11.2011 / Folie 1
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Introduction HSG, IMTEK & Partners
Stuttgart
Freiburg Villingen-Schwenningen
Research, Development and Scientific Education
• University Freiburg
IMTEK - Dep. Of Microsystem Engineering
PhD Program Energy Harvesting
• Hahn-Schickard Society
HSG-IMIT
HSG-IMAT
• Fraunhofer Society
IPM, EMI, ISE, …
State of Baden-Württemberg
Germany
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Freiburg - The Green City
Energy Harvesting Research at Freiburg
• Ph.D. Program Micro Energy Harvesting
Department of Microsystems Engineering (IMTEK), University of Freiburg
9 year program started in October 2006.
With 10 Professors, supported by 24 Scholarships from the German Research
Foundation (DFG) and from industrial partners
• R&D Group “Energy Efficient Autonomous Systems”
Institut für Mikro- und Informationstechnologie (HSG-IMIT)
• Solar Energy, Renewable Power Supply
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems
• Thermoelectrics – Spin-off: Micropelt
Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques
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IMTEK - Chair of Microelectronics
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IMTEK - Chair of Microelectronics
RAM
ROM
Cal.
Data &
Energy
Tele-
metry D/A &
Buffer
Temp.,
Sensors
& analog
Inputs
Programmable
Amplifiers
A/D Converter
and Reference
Processor
Digital
Signal
Processing
Control
Design of CMOS
analog and digital integrated
circuits for embedded
microsystems
Low voltage & low power mixed-
signal design techniques for
portable and implantable systems
Fully equipped laboratory for
design, simulation
and test of mixed signal integrated
circuits
A multisensor data acquisition system
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Microelectronics Research Areas
Low–Power
Low–Voltage
Integrated Circuits
Analog
System Design
Analog/Digital-
Conversion (6)
Sensor
Read-Out (6)
Digital
System Design
Autonomous
Microsystems
Mixed-Signal
Design Methods
Micro Power
Microsystems (7)
Energy
Harvesting (5)
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Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Wilhelm-Schickard-Straße 10
D-78052 Villingen-Schwenningen
Telefon +49 7721/ 943-0
Fax + 49 7721/ 943-210
E-Mail [email protected]
Hahn-Schickard-Society
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HSG-IMIT
State supported - Project funded
Mission: Applied Research
Founded 1988
ca. 80 Research and Technical Staff
ca. 9 Mio. Euro Budget in 2008
Clean Room (Class 100)
DIN EN ISO 9001 Certification in 2000
HSG-IMIT
Institut für Mikro- und Informationstechnik
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Cleanroom Service Center (RSC)
Facility 600 m² (class 100)
Silicon Micromachining
CMOS Post-Processing
4“ (6“) - Wafers
Services Process Development
Wafer Processing
Maintenance
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Energie aus Maschinenumgebungen
Vibration-Energy-Harvesting
Bernd Folkmer
Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard Gesellschaft e.V.
HSG-IMIT
Wilhelm-Schickard-Str. 10, D-78052 Villingen-Schwenningen, Germany
phone: +49 7721 943-145 fax: +49 7721 943-210 email:[email protected]
Mikro-Energietechnik
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In Zukunft
wird sich unsere Lebensweise unwiderruflich ändern,
denn dann
werden Mikrochips sich so allgemein verbreiten,
dass intelligente Systeme zu Millionen
in allen unseren Lebensbereichen anzutreffen sind.
[aus Zukunftsvisionen von Michio Kaku]
Vision
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Vision (II)
• unauffälliger allgegenwärtiger Betrieb:
ubiquitous computing
• vollständige Systemautonomie
• Unbegrenzte Betriebszeit
• keine Wartungskosten
• zuverlässiger Betrieb
an „entfernten Stellen“
• monolithisch integrierte
single-Chip Lösung als Fernziel
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Hintergrund und Motivation
Ziel
• Kabellose Sensor- /Aktor- /Regelsysteme
Einsatzgebiete
• Kraftfahrzeuge
• Maschinen und Anlagen
• Medizin
• Gebäude
• Flugzeuge
• Intelligente Kleidung
• Militär
• ....
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Solarzelle
Thermogeneratoren
Vibrationswandler
Solare Energie
Thermische Energie
Akustische Energie
Kinetische Energie
u.v.m.
Was ist „Energy Harvesting“
Energieversorgung
• RFID
• Batterien, Akkumulatoren
• Brennstoffzellen
• Umgebungsenergie
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Kinetischer Energy-Harvester
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Ziele:
• Erschließung alternativer Energiequellen zur Verlängerung der Betriebszeit, Erzeugung von kontinuierlicher Leistung
• Implementierung von innovativen stromsparenden Techniken
• Anwendung drahtloser Kommunikationstechnologien
• Management/ Optimierung von energieeffizienten Systemen
Lösungen (Stand heute)
• Induktionsgeneratoren
• Piezogeneratoren
• Kapazitive Generatoren
• Thermogenerator
Energieeffiziente autonome Systeme
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Wireless
Übertragungs-
einheit
Anwendung:
Sensor & Signalverarbeitung
System-
Management Spule
Magnet
mit Federelement
Energie-Autarke-Systeme
Vibrationsgenerator in schwer zugänglicher Umgebung
Zukunft
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Ausgangssituation / Stand der Technik
Condition Monitoring
• Energieautark
• Drahtlos
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PSP A/021272
Energie/ Vibration elektrische Energie
aus Umwelt an Sensorsystem
Energy-Harvester mit Power Management
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Wirkprinzip
• Energiewandlung durch elektrische Dämpfung
• System 2. Ordnung
• Eigenfrequenz
• Resonanzüberhöhung bei Anregung der Eigenfrequenz
• Verstärkung der äußeren Vibrationsamplitude
• Große innere Auslenkungen
Feder-Masse-Dämpfer System
xmFa
)( yxkFS )( yxcFc
m
m
me ccck
)(tx
)(tz
)(ty
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Leistungsabschätzung - Einschränkung
• Absolute Obergrenze der möglichen Ausgangsleistung
• Unabhängig vom Wandlerprinzip
• Unabhängig von der Generatorarchitektur
• Resonanzbetrieb
• Keine Berücksichtigung von Verlusten
• Effektivität der Energiewandlung von 100%
• Konditionierungselektronik (Gleichrichter, Stabilisator, Energiespeicher)
• Einfluss wesentlicher Parameter
Bemerkungen zur Leistungsabschätzung
2
_
_
2
max)(4 mopten
opte
DD
DmAP
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Herausforderungen: Vibrationsprofile
• Vibrationsprofile können sehr unterschiedlich sein
• Lage und Amplitude dominanter Frequenzen sehr anwendungsspezifisch
• Dominante Frequenz(en) können sich zeitlich ändern
• Temporäres Auftreten dominanter Frequenzen
• Breitbandige Anregung (stochastisch): keine dominante Frequenz
86 87 88 89 90 91 92 93 94
-200
0
200
Time (s)
acc (
m/s
²)
Acceleration Profile
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
Frequency (Hz)
PS
D (
dB
/Hz)
Power Spectral Density
86 87 88 89 90 91 92 93 94
-200
0
200
Time (s)
acc (
m/s
²)
Acceleration Profile
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
Frequency (Hz)
PS
D (
dB
/Hz)
Power Spectral Density
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-60
-40
-20
0
20
40
60
Time (s)
acc (
m/s
²)
Acceleration Profile
0 50 100 150 200 2500
10
20
30
Frequency (Hz)
PS
D (
dB
/Hz)
Power Spectral Density
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-60
-40
-20
0
20
40
60
Time (s)
acc (
m/s
²)
Acceleration Profile
0 50 100 150 200 2500
10
20
30
Frequency (Hz)
PS
D (
dB
/Hz)
Power Spectral Density
201 202 203 204 205 206 207 208
-200
-100
0
100
200
Time (s)
acc (
m/s
²)
Acceleration Profile
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
Frequency (Hz)
PS
D (
dB
/Hz)
Power Spectral Density
201 202 203 204 205 206 207 208
-200
-100
0
100
200
Time (s)
acc (
m/s
²)
Acceleration Profile
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
20
40
60
80
Frequency (Hz)
PS
D (
dB
/Hz)
Power Spectral Density
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Energy-Harvester Design
0 50 100 150 200 250 300-100
-50
0
50
100
Zeit [s]
Be
sc
hle
un
igu
ng
[m
/s²]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-30
-20
-10
0
10
20
30
Frequency (Hz)
Po
we
r/fr
eq
ue
nc
y (
dB
/Hz
) Power Spectral Density
a
b
Analyse der Zielumgebung
• Mobile Messungen d. Schwingungen
• Bewertung der Daten
Auswahl physikalischer Prinzipien
• piezoelektrisch, induktiv,
kapazitiv, …
Modellierung der Generatoren
auf Basis der Messungen
• Analytische Simulation
• Finite Elemente Simulation
Technologische Umsetzung
• Werkstatt
• Reinraum
• Partner vor Ort
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Herausforderungen: Resonanzverhalten
60 70 80 90 100 110 120 130 140ferr (Hz)
100
200
300
400
500
P (mW)
100 g
2
_
22
3
_
2
max
21n
mopte
n
n
opte
DD
DmA
P
• Schmalbandig
• Starker Effektivitätsverlust
bei Anregung außerhalb
der Eigenfrequenz
Eigenschaft:
• Allround Generator mit
hoher Effektivität schwer
realisierbar
• Geringe Effektivität bei •zeitveränderlichen dominanten
Frequenzen
•stochastischer Anregung
Schlussfolgerung:
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Mikro Generatoren am HSG-IMIT
?
?
?
… oder die Suche nach
mehr Bandbreite
niedrigen Eigenkreisfrequenzen
leichte Skalierbarkeit
dynamische Anpassung
Vibrations-
Generatoren
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Vibrations-
Generatoren
M1IT
Mode One Induktion Transducer
wenn Vibrationsfrequenz bekannt
und nahezu konstant ist
NMIT
No Mode Induktion Transducer
wenn Vibrationsfrequenz unbekannt ist
und sich mit der Zeit ändert
LFTT
Low Frequency Tunable Transducer
Konversion variabler niederer Frequenzen
und Stöße bei kleinem Generatorvolumen
Mikro Generatoren am HSG-IMIT
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Stand der Technik - Systemübersicht
Resonante
Systeme
Nicht-Resonante
Systeme
Feste Eigenfrequenz
Einstellbare Eigen-
Frequenz
Verbesserung der
Bandbreite
Resonanz Tuning
Frequenz-
Vervielfacher
Resonator Array
Multi-Mode
Rotatorische Systeme
Federfreie Systeme
...
Nicht-Linearitäten
Nicht-lineare Feder
Mechanische Anschlag
Bi-stabiles System
Nicht-lineare Kopplung
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Aktivitäten am HSG-IMIT
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EASy: Energieautonome Systeme
Entwicklung applikationsspezifischer Prototypen
in Kooperation mit unseren industriellen Partnern
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EASy: Energieautonome Systeme
Entwicklung applikationsspezifischer Prototypen
in Kooperation mit unseren industriellen Partnern
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weitere Induktive Mikrogeneratoren
PolyMig-n Harvesters
Technologie Demonstratoren
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Piezoelektrische Energiegeneratoren
PZT - Generatoren
LiNbO3 - Generatoren
M1PT-n Harvesters
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Mikrotechnische Vibrationswandler
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0.2cm³, 1-10µW
200cm³, 100-800mW Parameter Elektromagnetisch Piezoelektrisch Elektrostatisch
Anregung 39 m/s² 13 m/s² 59 m/s²
Spannung (AC) 9 V 39 V 1.1 V
Strom (AC) 90 mA 385 µA 1.9 µA
Leistung (AC) 800 mW 15 mW 2.2 µW
Betriebsfrequenz 30 Hz 150 Hz 1220 Hz
Generatorgröße 190 cm³ 18 cm³ 0.2 cm³
Funktionsmuster
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Energy Harvesting in Railroad Applications
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Anwendung Betonsteinfertigung
Energieautonome Sensorik
• Drahtlose Prozessüberwachung in
hochbeanspruchten Komponenten
• Versorgung durch Energy-Harvester,
mehrere 100 mW kontinuierliche Leistung
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Anwendung Wasserwächter
Energieautarkes Sicherheitssystem zum Schutz
vor Schäden durch defekte Wasserverbraucher
• Low Power Leckagedetektion von Tropfmengen bis zu hohen Durchflussraten
• Wasserfluss wird automatisch gestoppt
• Einsatzgebiete: Wasch- und Spülmaschinen
Kaffeeautomaten
Wasserspender
…
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Anwendung Notrufsystem
Notrufsysteme für hilfebedürftige Menschen
• Verbesserung des Tragekomforts (Bewegungsfreiheit, Haptik, Unauffälligkeit)
Hoch-flexibles waschbares Textilarmband
• Vermeidung von Fehlalarmen
Auslösen eines Notrufs durch das Umgreifen des Armbandes
Erfassung des Auslösevorgangs mit Drucksensor
Intelligente Sensordatenauswertung
• Wartungsfreiheit: Energieautonomer Betrieb
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Size of bubble is proportional to the excitation amplidtude
(ielectromagnetic ipiezoelectric)equals 40 m/s²
equals 1m/s²
0.00
0.01
0.10
1.00
10.00
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
frequency (Hz)
po
we
r d
en
sity (
mW
/cm
³)
Funktionsmuster
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Unternehmen Wandlertyp Spezifikation
AdaptivEnergy Piezoelektrisch 130 µW rms @ 15 Hz, 0.4g
Advanced Cerametrics Inc. Piezoelektrisch 3 V DC @ 30 Hz / 60 Hz / 120 Hz / 220 Hz, 3g
CEDRAT Technologies Piezoelektrisch 95 mW @ 110 Hz, 1.1g
EnOcean GmbH Elektromagnetisch Push Button
Ferro Solutions Inc. Elektromagnetisch 5.3 mW DC (3.3 V, 1.6 mA) @ 60 Hz, 0.1g
KCF Technologies Inc. Elektromagnetisch 4.1 mW DC @ 360 Hz, 0.24g 1.5 mW DC @ 120 Hz, 0.08g
Perpetuum Ltd Elektromagnetisch 5 mW (4.5 V, 1.1 mA) @ 100 Hz, 0.1g
Piezo Systems Inc. Piezoelektrisch 7.1 mW rms @ 52 Hz,
Mide Piezoelektrisch 15 mW (17 V, 0.8 mA) @ 80 Hz, 1g
Kommerzielle Produkte
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Ausgangssituation / Stand der Technik
Condition Monitoring
• Energieautark
• Drahtlos
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Energiegenerator
• Energy Harvester mit optimierter Energiespeicherung
• Generator und Elektronik in kompaktem Gehäuse:
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Microelectronic Power Management
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HSG-IMIT EH-ASIC´s
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Multi-Power-Source Sensor System
UART
SPI
1CH
Mikroprozessor
Hardware
MSP430F2410
UART
SPI
Enocean STM 300
Sensor-
interface
12bit SAR
AD8 Ch
UART
SPI3 Ch
UART
SPI
56k Rom
4K Ram
GPIO
5*8bit
SPI
Master/Slave
Slave/Master
max 8bit
Au
sta
usch
bar
od
er
An
dere
Oszillator
32768 Hz
Timer 16bit 3CCR
Timer 16bit 7CCR
WDT
Power-
Bus-
Interface
+VCC
Gnd
1 Wire
Spannungs-
regler
Schwellen-
erkennung
Anlauf-
speicher
Ladekontrolle
Autonomie-
speicher
Systemspannung
PwGd- Signal
1 Wire RX
1 Wire TX
UART
1 Wire RX
1 Wire TX
Anschluss
Funkmodule
P-Sensor
T-Sensor
Q-Sensor
H-Sensor
Endschalter
Positionsschalter
max. 5*8bit
TI CC2400
UART
SPI
Interface
Solar-
generator
El.
Speicher
Interface
Power
Bus
Solar- Harvester
El.
Speicher
Interface
Power
Bus
Interface
Solar-
generator
Vibrations- Harvester
Interface
Turbinen
generator
El.
Speicher
Interface
Power
Bus
Durchfluss- Harvester
Primärenergie
Interface
Power
Bus
Interface
Power
Bus
Akku
Interface
Power
Bus
Interface
induktive
Übertra-
gung
Induktive Enegieübertragung
Interface
Therm-
generator
El.
Speicher
Interface
Power
Bus
Thermo- Harvester
[1] MIKOA Projekt
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HSG-IMIT Evaluation Kit
www.hsg-imit.de DTG Jagresversammlung 2011, Freiburg, B. Folkmer / 17.11.2011 / Folie 48
Mikro-Energietechnik
Energie aus Maschinenumgebungen
Vibration-Energy-Harvesting
Bernd Folkmer
Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard Gesellschaft e.V.
HSG-IMIT
Wilhelm-Schickard-Str. 10, D-78052 Villingen-Schwenningen, Germany
phone: +49 7721 943-145 fax: +49 7721 943-210 email:[email protected]
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