Energie aus Maschinenumgebungen Vibration-Energy-Harvesting

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1 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 Villingen-Schwenningen, Germany phone: fax: DTG Jagresversammlung 2011, Freiburg, B. Folkmer / / Folie 1

2 Introduction HSG, IMTEK & Partners 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, Stuttgart Freiburg Villingen-Schwenningen State of Baden-Württemberg Germany

3 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 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

4 IMTEK - Chair of Microelectronics

5 IMTEK - Chair of Microelectronics Design of CMOS analog and digital integrated circuits for embedded microsystems Temp., Sensors & analog Inputs Programmable Amplifiers A/D Converter and Reference Data & Energy Telemetry D/A & Buffer Low voltage & low power mixedsignal design techniques for portable and implantable systems Control Fully equipped laboratory for design, simulation and test of mixed signal integrated circuits RAM ROM Cal. Processor Digital Signal Processing A multisensor data acquisition system

6 Microelectronics Research Areas Digital System Design Micro Power Microsystems (7) Autonomous Microsystems Low Power Low Voltage Integrated Circuits Energy Harvesting (5) Mixed-Signal Design Methods Sensor Read-Out (6) Analog System Design Analog/Digital- Conversion (6)

7 Hahn-Schickard-Society Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.v. Wilhelm-Schickard-Straße 10 D Villingen-Schwenningen Telefon / Fax / info@hsg-mst.de

8 HSG-IMIT HSG-IMIT Institut für Mikro- und Informationstechnik 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

9 Cleanroom Service Center (RSC) Facility 600 m² (class 100) Silicon Micromachining CMOS Post-Processing 4 (6 ) - Wafers Services Process Development Wafer Processing Maintenance

10 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 Villingen-Schwenningen, Germany phone: fax:

11 Vision 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]

12 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

13 Hintergrund und Motivation Ziel Kabellose Sensor- /Aktor- /Regelsysteme Einsatzgebiete Kraftfahrzeuge Maschinen und Anlagen Medizin Gebäude Flugzeuge Intelligente Kleidung Militär...

14 Was ist Energy Harvesting Energieversorgung RFID Batterien, Akkumulatoren Brennstoffzellen Umgebungsenergie Solare Energie Thermische Energie Akustische Energie Kinetische Energie u.v.m. Solarzelle Thermogeneratoren Vibrationswandler

15 Kinetischer Energy-Harvester

16 Energieeffiziente autonome Systeme 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

17 Zukunft Energie-Autarke-Systeme Vibrationsgenerator in schwer zugänglicher Umgebung Anwendung: Sensor & Signalverarbeitung Wireless Übertragungseinheit System- Management Magnet mit Federelement Spule

18 Ausgangssituation / Stand der Technik Condition Monitoring Energieautark Drahtlos

19 Energy-Harvester mit Power Management PSP A/ Energie/ Vibration elektrische Energie aus Umwelt an Sensorsystem

20 Wirkprinzip F a mx x(t) m m y(t) z(t) k c c e c m F S k( x y) c( x y ) F c Feder-Masse-Dämpfer System Energiewandlung durch elektrische Dämpfung System 2. Ordnung Eigenfrequenz Resonanzüberhöhung bei Anregung der Eigenfrequenz Verstärkung der äußeren Vibrationsamplitude Große innere Auslenkungen

21 Leistungsabschätzung - Einschränkung P max A m D 2 e _ opt 4 n ( De _ opt Dm ) 2 Bemerkungen zur Leistungsabschätzung 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

22 PSD (db/hz) PSD (db/hz) PSD (db/hz) acc (m/s²) acc (m/s²) acc (m/s²) Herausforderungen: Vibrationsprofile 200 Acceleration Profile Acceleration Profile Acceleration Profile Time (s) Time (s) Time (s) 80 Power Spectral Density 80 Power Spectral Density 30 Power Spectral Density Frequency (Hz) Frequency (Hz) Frequency (Hz) 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

23 Power/frequency (db/hz) Beschleunigung [m/s²] Energy-Harvester Design Analyse der Zielumgebung Mobile Messungen d. Schwingungen Bewertung der Daten Auswahl physikalischer Prinzipien piezoelektrisch, induktiv, kapazitiv, a b Zeit [s] Power Spectral Density Frequency (Hz) Modellierung der Generatoren auf Basis der Messungen Analytische Simulation Finite Elemente Simulation Technologische Umsetzung Werkstatt Reinraum Partner vor Ort

24 Herausforderungen: Resonanzverhalten P (mw) 500 P max 1 A 2 2 n 2 m D e _ opt 2 D e _ opt 3 n D m n 2 Eigenschaft: Schmalbandig Starker Effektivitätsverlust bei Anregung außerhalb der Eigenfrequenz g Schlussfolgerung: Allround Generator mit hoher Effektivität schwer realisierbar Geringe Effektivität bei 100 zeitveränderlichen dominanten Frequenzen f err (Hz) stochastischer Anregung

25 Mikro Generatoren am HSG-IMIT? oder die Suche nach Vibrations- Generatoren? mehr Bandbreite niedrigen Eigenkreisfrequenzen? leichte Skalierbarkeit dynamische Anpassung

26 Mikro Generatoren am HSG-IMIT M1IT Mode One Induktion Transducer wenn Vibrationsfrequenz bekannt und nahezu konstant ist Vibrations- Generatoren 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 Bernd Folkmer / / Folie 26

27 Stand der Technik - Systemübersicht Feste Eigenfrequenz Resonante Systeme Einstellbare Eigen- Frequenz Verbesserung der Bandbreite Resonanz Tuning Frequenz- Vervielfacher Resonator Array Multi-Mode Rotatorische Systeme Nicht-Linearitäten Nicht-lineare Feder Nicht-Resonante Systeme Federfreie Systeme Mechanische Anschlag Bi-stabiles System... Nicht-lineare Kopplung Bernd Folkmer / / Folie 27

28 Aktivitäten am HSG-IMIT Bernd Folkmer / / Folie 28

29 EASy: Energieautonome Systeme Entwicklung applikationsspezifischer Prototypen in Kooperation mit unseren industriellen Partnern Bernd Folkmer / / Folie 29

30 EASy: Energieautonome Systeme Entwicklung applikationsspezifischer Prototypen in Kooperation mit unseren industriellen Partnern Bernd Folkmer / / Folie 30

31 weitere Induktive Mikrogeneratoren PolyMig-n Harvesters Technologie Demonstratoren Bernd Folkmer / / Folie 31

32 Piezoelektrische Energiegeneratoren M1PT-n Harvesters PZT - Generatoren LiNbO 3 - Generatoren Bernd Folkmer / / Folie 32

33 Mikrotechnische Vibrationswandler

34 Funktionsmuster 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 200cm³, mW 0.2cm³, 1-10µW

35 Transducer for Fluid Quick Connector Measurement point

36 Energy Harvesting in Railroad Applications

37 Anwendung Betonsteinfertigung Energieautonome Sensorik Drahtlose Prozessüberwachung in hochbeanspruchten Komponenten Versorgung durch Energy-Harvester, mehrere 100 mw kontinuierliche Leistung

38 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

39 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 Bernd Folkmer / / Folie 39

40 power density (mw/cm³) Funktionsmuster Size of bubble is proportional to the excitation amplidtude (ielectromagnetic ipiezoelectric) equals 40 m/s² 1.00 equals 1m/s² frequency (Hz)

41 Kommerzielle Produkte Unternehmen Wandlertyp Spezifikation AdaptivEnergy Piezoelektrisch 130 µw 15 Hz, 0.4g Advanced Cerametrics Inc. Piezoelektrisch 3 V 30 Hz / 60 Hz / 120 Hz / 220 Hz, 3g CEDRAT Technologies Piezoelektrisch Hz, 1.1g EnOcean GmbH Elektromagnetisch Push Button Ferro Solutions Inc. KCF Technologies Inc. Perpetuum Ltd Elektromagnetisch Elektromagnetisch Elektromagnetisch 5.3 mw DC (3.3 V, Hz, 0.1g 4.1 mw 360 Hz, 0.24g 1.5 mw 120 Hz, 0.08g 5 mw (4.5 V, Hz, 0.1g Piezo Systems Inc. Piezoelektrisch 7.1 mw 52 Hz, Mide Piezoelektrisch 15 mw (17 V, Hz, 1g

42 Ausgangssituation / Stand der Technik Condition Monitoring Energieautark Drahtlos

43 Energiegenerator Energy Harvester mit optimierter Energiespeicherung Generator und Elektronik in kompaktem Gehäuse:

44 Microelectronic Power Management

45 HSG-IMIT EH-ASIC s

46 Austauschbar oder Andere Multi-Power-Source Sensor System Solar- Harvester Interface Solargenerator El. Speicher Vibrations- Harvester Interface Power Bus T-Sensor P-Sensor Mikroprozessor Hardware MSP430F2410 UART SPI 1CH Anschluss Funkmodule SPI Master/Slave Slave/Master UART SPI Enocean STM 300 Interface Solargenerator El. Speicher Durchfluss- Harvester Interface Power Bus Q-Sensor 8 Ch 12bit SAR AD 56k Rom GPIO 5*8bit max 8bit UART SPI TI CC2400 Interface Turbinen generator El. Speicher Interface Power Bus H-Sensor 3 Ch UART SPI Sensorinterface 1 Wire RX Thermo- Harvester Interface Thermgenerator El. Speicher Interface Power Bus Endschalter max. 5*8bit UART SPI 4K Ram UART 1 Wire TX Akku Timer 16bit 3CCR Timer 16bit 7CCR WDT Oszillator Hz Interface Power Bus Positionsschalter Primärenergie Interface Power Bus Induktive Enegieübertragung Interface induktive Übertragung Interface Power Bus +VCC Gnd 1 Wire Power- Bus- Interface Spannungsregler Schwellenerkennung Anlaufspeicher Ladekontrolle Autonomiespeicher Systemspannung PwGd- Signal 1 Wire RX 1 Wire TX [1] MIKOA Projekt

47 HSG-IMIT Evaluation Kit

48 Kontakt 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 Villingen-Schwenningen, Germany phone: fax: DTG Jagresversammlung 2011, Freiburg, B. Folkmer / / Folie 48