Umgebungsenergie für dezentrale Sensoranwendungen: Erstes Co-Design aus Mechanik und Elektronik für elektrodynamische Vibrations-Harvester.
Die Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. und das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) nahmen im virtuellen Kick-off-Treffen am 15. Februar 2021 die Arbeiten in dem Anfang des Monats gestarteten dreijährigen DFG-Forschungsprojekt „ECo-Harvester – Entwurfsmethodik für das Co-Design von mechanischer Struktur und Schnittstellenschaltung elektrodynamischer Energy-Harvester“ auf.
Energy-Harvester wandeln Umgebungsenergie in elektrische Energie, um somit beispielsweise energieautarke Funk-Sensor-Knoten für Monitoring-Aufgaben im Industrieumfeld zu betreiben und die dafür notwendigen Wartungs- bzw. Installationskosten zu minimieren. Energy-Harvester weisen damit ein hohes Potential auf, zu einer Schlüsseltechnologie zu werden, um Sensoranwendungen dezentral verbreiten zu können.
Im Forschungsprojekt „ECo-Harvester“ soll eine computergestützte Entwurfsmethodik für das Co-Design aus Mechanik und Elektronik für elektrodynamische Vibrations-Harvester entwickelt werden, um abhängig von gegebenen Anforderungen das optimale Harvesting-System ableiten zu können.
„Wir wollen nicht einfach zwei Komponenten zusammenbauen, sondern streben eine Gesamtsystemauslegung an. Das Optimum des Gesamtsystems ist eben nicht immer das jeweilige Optimum der Teilsysteme“, erklärte Prof. Dr. Ralf Sommer, wissenschaftlicher Geschäftsführer des IMMS. Diese Gesamtsystemsicht sei notwendig, damit sich die Effizienz des Systems steigern lasse, also mehr Leistung liefere bzw. bei gleicher Leistung kleiner gebaut werden könne, so Sommer weiter. Ein solcher Ansatz erweitert den Stand der Technik, da aktuell die Komponenten vielmals getrennt voneinander entwickelt werden.
Das IMMS wird den Schwerpunkt auf die mechanische Modellierung inklusive magnetischer Felder und mechanischer Dämpfung der Energy-Harvester legen, mit denen Energie aus Vibrationen gewonnen wird. Hahn-Schickard fokussiert sich auf die Frontendschaltungen mit hoher Effizienz bzw. geringen Verlusten, um damit die Energie aus der Harvester-Mechanik in geeigneter Form für Sensorsysteme bereitzustellen.
„Da aber beide Partner über ihre Schwerpunkte hinaus vor allem das Zusammenspiel von Harvester-Design und Schnittstellenschaltung betrachten, können wir Synergieeffekte nutzen“, sagte Dr.-Ing. Thorsten Hehn, Gruppenleiter für elektronische Systeme bei Hahn-Schickard. Mittels einer entsprechenden Modellierung kann für gegebene Rahmenbedingungen, wie beispielsweise Signalform, Frequenz und Amplitude der Anregung, Baugröße des Harvesters etc., ein optimales Gesamtkonzept aus den Topologien für den Harvester und der Schnittstellenschaltung inklusive der Parameterbestimmung generiert werden. Das ermöglicht nicht nur einen kostengünstigen Entwurf, sondern auch erweiterte Einsatzszenarien durch verbesserte Systemeigenschaften.
„Die Herausforderungen liegen darin, dass es eine Vielzahl von topologischen Grundstrukturen seitens der Mechanik und zum Beispiel viele Spannungsbereiche auf der Elektronikseite gibt“, fasste Hehn zusammen. „Die spannende Frage ist, was für das Gesamtsystem am besten ist. Wir freuen uns auf die Antworten, die wir gemeinsam liefern werden.“
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