Thermal Energy Harvesting Booster mit 20 mv Eingangsspannung. Juan Gruber, Simon Mathis InES Institute of Embedded Systems ZHAW

Transkript

1 Thermal Energy Harvesting Booster mit 20 mv Eingangsspannung Juan Gruber, Simon Mathis InES Institute of Embedded Systems ZHAW

2 Inhalt Motivation und Anwendung Autarker Ventilantrieb Energiebedarf vs. Energy Harvesting Booster Design Analyse des Boosterprototyps Zusammenfassung 2 Embedded Computing Conference 2016

3 Motivation Autarker Ventilantrieb Energy Harvesting Thermoelektrischer Generator (TEG) Ultra Low Power Design Optimiertes Power Management [Colourbox.com] Anforderungen Genug Energie für Antrieb Niedrige Temperaturen (ab T 3 K) Vermeidung von Dead-Locks 3 Embedded Computing Conference 2016

4 Autarker Ventilantrieb Blockschaltbild (vereinfacht) Energy Storage Harvesting Seite Verbraucher Seite 4 Embedded Computing Conference 2016

5 Benötigte Energie Ventilbewegungen Ohne Wasserfluss Ventil 100% schliessen - Zeit: 30 s - Energie/Leistung: 1.5 J / 50 mw Ventil 100% öffnen - Zeit: 30 s - Energie/Leistung: 1.3 J / 43 mw Ansteuerung und Kommunikation Mikrokontroller, Radio, Sensoren Leistung im Standby: 5 µw Leistung aktiv: 5 mw Ventil Antrieb 5 Embedded Computing Conference 2016

6 Energy Harvesting Thermisches Energy Harvesting mit TEG Basiert auf Seebeck-Effekt Halbleiter Pellets zwischen Keramikplatten Kalte und warme Seite Seebeck-Koeffizient α in V/K Ausgangsspannung im Millivolt-Bereich ( Booster) Betriebsparameter Erwartetes T am TEG: 3 K V out,teg im zwei bis dreistelligen mv-bereich Betriebsspannung 3.6 V (Speicher) 6 Embedded Computing Conference 2016

7 Verfügbare TEGs und Booster TEGs Grosse Auswahl Low Cost / kleine TEGs Auswahlkriterien - Preis - Seebeck-Koeffizient - Innenwiderstand - Dimensionen Booster Auswahlkriterien - Minimale Eingangsspannung und bereich ( T = 3 K) - Geringer Versorgungsstrom (I Q ) - Anpassung der Impedanz (TEG <-> Booster) v. L n. R. : TGP-651, TEC2L , TEG , TEG , TEG , TEG Embedded Computing Conference 2016

8 Evaluation TEG / Booster Kombination Mögliche Kombinationen für T = 3 K LTC3108 LTC3108 LTC3109 LTC3109 ECT310 ECT310 BQ25504 BQ25504 SPV1050 SPV1050 ADP5090 ADP5090 <= 50 CHF TEG TEG X X Preis: 59 Preis: X < Vin,min Preis: 101 X X Preis: 58 Preis: CHF (X) X (X) X TEG TEG Preis: 83 Preis: 61 Preis: 85 Preis: 62 (X) - Preis: 90 Impedanz X X Preis,83 Preis: 59 X X Preis: 82 Preis: 58 >= 81 CHF - (X) - (X) TEC TEG Impedanz Preis: 83 Impedanz Preis: 85 X X Preis, 18 Preis: 90 - X < Vin,min Preis,83 - X < Vin,min Preis: 82 TEC2L /73 TGP-651 X - Preis: 28 Impedanz - X < Vin,min Preis:? - (X) < Vin,min Preis:? - X - X TGP-651 TEG Impedanz Preis: 49 Impedanz Preis: 51 X X Preis > 6 Preis: 49 (X) - Preis > < 6 Vin,min X - X - TEG TEG Preis: 40 Impedanz Preis: 42 Impedanz - X Impedanz Preis: 28 TEG TEG X Impedanz Preis: 28 X - Preis: 104 < Vin,min X - Preis: 101 < Vin,min X - Preis: 103 < Vin,min TEG TEG X X Preis: 28 Preis: 28 TEC2L X - X - TEG /73 Preis: 49 Impedanz Preis: 51 Impedanz - X Impedanz Preis: 28 X - Preis: 49 < Vin,min 8 Embedded Computing Conference 2016

9 Optimierung für Anwendungsfall Erkenntnisse für den Anwendungsfall Keine TEG-Booster-Kombination erfüllt alle Kriterien für den Anwendungsfall T = 3 K - Starten direkt von TEG - Geregelte Ausgangsspannung - Effizienz - Preis Entwicklung eines neuen Boosters Für Anwendungsfall optimiert Starten ab einigen 10 mv Hohe Effizienz bei T = 3 K Ausgangsspannung 3.6 V, geregelt Kompetitiver Preis TEG x30mm 9 Embedded Computing Conference 2016

10 Booster Design Blockschaltbild (vereinfacht) 2. Stufe 1. Stufe 10 Embedded Computing Conference 2016

11 Booster Design 1. Stufe: Starten ab einigen 10 mv Selbstschwingender Oszillator mit Transformator Transformator TX 1 verstärkt um 100 Spannungsverdoppler am Ausgang lädt Kondensator C V, 28 s 2.8 V, 90 s Vin = 20 mv Oszillator Verdoppler 11 Embedded Computing Conference 2016

12 Booster Design 2. Stufe: Hohe Effizienz Aufwärtswandler, 3.6 V am Ausgang Startet mit Hilfe von 1. Stufe Hohe Ströme Niederohmige Bauteile 26 mv / K 78 mv Leerlaufspannung am TEG TEG Aufwärtswandler Last 12 Embedded Computing Conference 2016

13 Booster Design Simulation Effizienz (2. Stufe) Vin 40 mv (78 mv Leerlauf), R TEG = 0.85 Ω P max,teg 78mV = U2 = (0.078V)2 4 Ri 4.085Ω = 1789 µw 2mW Simulation P input Bauteil P in uw % von Pin 1.5mW P output P input % P output % MOSFET 163 9% 1mW Verluste Diode 122 7% R tot = 50mΩ 118 7% Spule (36 µh) 93 5% 0.5mW Kondensatoren 3.2 1% 13 Embedded Computing Conference 2016

14 Prototyp Booster Aufbau des InES Boosters 60 mm 2. Stufe Hauptregler 1. Stufe Startup Oszillator 55 mm PWM-Generator & Regler Power On Control 14 Embedded Computing Conference 2016

15 Booster im Betrieb Startphase TEG mit 40 mv Eingangsspannung FET-Gate (PWM) Vout (3.6 V) Input 40 mv (TEG) 15 Embedded Computing Conference 2016

16 Booster im Betrieb Effizienzvergleich mit anderen Kombinationen InES-Booster T = 3 K 16 Embedded Computing Conference 2016

17 Wirtschaftliche Betrachtung Kostenvergleich der Kombinationen InES-Booster Kombination Preis CHF 3 K ECT310 & TEC2L ECT310 & TEG ECT310 & TEG ECT310 & TEG LTC3108 & TEG BQ25504 & TEG BQ25504 & TGP-651 N.B. 0.6 InES-Booster & TEG InES-Booster & TEG Embedded Computing Conference 2016

18 Zusammenfassung Boosterschaltung Starten ab 40 mv Nach Kaltstart 16 mv Harvesten ab T = 3 K Geeignet für Low-Cost TEG Autarker Ventilantrieb Drei volle Stellzyklen pro Stunde möglich ( T = 6 K) Niedertemperatur ( T = 3 K): Ein voller Zyklus pro Stunde Weiteres Potential Technische Optimierungen (Startvorgang, Effizienz, Grösse) Weitere Reduktion der Materialkosten 18 Embedded Computing Conference 2016

19 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Forschungsbereich Autarke Systeme Institute of Embedded Systems Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) Technikumstrasse 20/ Winterthur +41 (0) Web: 19 Embedded Computing Conference 2016