Nutzung von Energy Harvesting in hoch zuverlässigen industriellen Steuerumgebungen

In diesem Artikel werden die planerischen Herausforderungen betrachtet, die für die Verwendung von Energy-Harvesting-Quellen für Leistungsknoten in der industriellen Automatisierung gelten, wo eine hohe Zuverlässigkeit unabdingbar ist. Es wird untersucht, wie Energiequellen wie Temperatur und Vibration mit Batteriesystemen und kabellosen Verbindungen kombiniert werden können, um eine genaue Positionierung der Sensorknoten mit einer größtmöglichen Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Energy-Harvesting-Technologien können für die Steigerung von Zuverlässigkeit und Betriebsbereitschaft industrieller Systeme eingesetzt werden. Wenn eine Positionierung der Sensorknoten unabhängig von Strom- oder Kommunikationsverbindungen an den erforderlichen Stellen ermöglicht wird, können stärker aussagekräftige Daten geliefert werden. Daraus können wiederum Trenddaten für bestimmte Methoden abgeleitet werden, z. B. für den Kalman-Algorithmus, der Probleme vor ihrem Eintreten erkennt und eine Umsetzung von präventiven Wartungsarbeiten oder den Einsatz alternativer Ausrüstungselemente vor dem Eintritt von Störungen möglich macht.

Dank dieser Energy-Harvesting-Technologien können die Herausforderungen einfacher batteriegestützter Sensorknoten gemeistert werden. Mit dem Einsatz Tausender Knoten in einer Industrieumgebung können sich Wartung und Austausch der Batterien als kostspielige und zeitaufwendige Aufgabe erweisen. Energy Harvesting wird jedoch als unzuverlässige und stark schwankende Quelle betrachtet und wird für derartige Anwendungen häufig nicht in Betracht gezogen. Durch Kombination von Energy-Harvesting-Quellen (z. B. Vibration, Wärme oder Solarenergie) mit einer wiederaufladbaren Batterie können alle Vorteile vereint werden. Eigenständige Sensorknoten können problemlos an schwer zugänglichen Stellen positioniert werden, und die wiederaufladbaren Batteriesysteme bieten eine Einsatzdauer von mehreren Tausend Zyklen. So wird die Lebensdauer der Knoten erheblich verlängert.

Für diese Kombination ist jedoch ein völlig neuartiges Leistungsmanagementgerät erforderlich, das eine zuverlässige Stromversorgung aus einer unregelmäßigen Niederstromquelle sicherstellen kann. In diesen Geräten kommen Abwärts-/Aufwärtswandler-Architekturen zum Einsatz, um die Leistung der Stromquellen zu verwalten

Die Gewinnung von Energie aus Vibrationen mit Geräten wie dem Volture V25W von Midé stellt eine nützliche Stromquelle in der werkseitigen Automatisierung dar. .

Abbildung 1: Der piezoelektrische vibrationsbasierte Generator Volture V25W von Midé

Hierbei handelt es sich um ein hermetisch abgeschlossenes, piezoelektrisches Gerät, das für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen entwickelt wurde. Es kann als Sensor eingesetzt, aber auch direkt mit Chips für das Leistungsmanagement und Dünnschicht-Batterien kombiniert werden und so eine zuverlässige Stromquelle darstellen. Der Generator wurde speziell für die Stromversorgung von Sensorknoten in industriellen Netzwerken und von Sensoren von Hochspannungsklimaanlagen in industriellen Automatisierungsumgebungen entwickelt, wo er die Vibrationen von Motoren aufnehmen kann. Die Überwachung des Status von Hochspannungsklimaanlagen ist für eine genaue Kontrolle der Temperaturen im Werk und für die Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft unabdingbar.

Der Sensor wird auf der Vibrationsquelle angebracht und auf ihre Resonanzfrequenz eingestellt. Dominante Frequenzen lassen sich bei AC-Motoren mit 120 Hz oder Geräten mit 60 Hz häufig leicht feststellen und erleichtern die Einstellung. Bei den meisten anderen Anwendungen muss jedoch eine Vibrationsbestimmung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Quelle mit der Resonanzfrequenz arbeitet.

Der V25W kann mit einem Leistungsmanagementgerät verbunden werden, z. B. mit dem MAX17710 von Maxim. Hierbei handelt es sich um ein Komplettsystem für die Ladung und den Schutz von Mikrozellen für die Speicherung von Strom aus Energy-Harvesting-Quellen. Es kann schlecht regulierte Stromquellen mit Ausgangswerten von 1 µW bis 100 mW verwalten. Das Gerät beinhaltet zudem eine Aufwärtsreglerschaltung, um die Zelle aus einer Stromquelle mit nur 0,75 V (typ) zu laden.

Ein interner Regler schützt die Zelle vor Überladung und die an die Zielanwendungen geleiteten Ausgangsspannungen werden über einen linearen LDO-Regler (low-dropout, LDO) mit einstellbaren Spannungen von 3,3 V, 2,3 V oder 1,8 V reguliert. Der Ausgangsregler arbeitet in einem wählbaren Niederstrom- oder Ultraniederstrom-Modus, um die Belastung der Zelle zu minimieren. Durch den internen Spannungsschutz wird die Zelle vor Überladung geschützt.

Abbildung 2: Der MAX17710 ist speziell auf die Leistung von Energy-Harvesting-Quellen eingestellt.

Solarzellen stellen eine mögliche Stromquelle dar, die sogar im Innenbereich von Werkshallen zum Einsatz kommen kann. Bei dem MB39C831 von Spansion handelt es sich um einen hocheffizienten DC/DC-Aufwärtswandler mit synchronem Gleichrichter, der für eine effiziente Übertragung der Energie aus der Solarzelle (mit einer oder mehreren Zellen) oder von einem thermoelektrischen Generator (TEG) in eine Li-Ionenbatterie sorgt.

Er steuert den Ausgabe des DC/DC-Wandlers gemäß dem maximalen Betriebspunkt der Solarzelle mithilfe eines MPPT-Algorithmus (Maximum Power Point Tracking) und einer Schutzfunktion für eine sichere Aufladung der Li-Ionenbatterie.

Die Spannung einer Solarzelle ist generell vom Laststrom abhängig, daher ist der Betriebspunkt, an dem die Leistung am größten ist, von großer Bedeutung. Der Steueralgorithmus, der diesen optimalen Betriebspunkt im Vergleich zum Freigabepunkt, an dem keine Last anliegt, kontrolliert, ermittelt die maximale Effizienz für die Leistungswandlung.

Abbildung 3: Der MB39C831 ermittelt den optimalen Betriebspunkt der Quelle für die effizienteste Energieumwandlung.

Zu Beginn können 0,35 V in einer Niederspannungsanwendung verwendet werden (Abbildung 3). Das Gerät passt sich an Anwendungen an, in denen eine einfache Solarzelle als Stromeingang verwendet wird, und liefert eine Ausgangsspannung von 3,0 bis 5,0 V für die Speisung des Sensorknotens mit einem Ruhestrom von 41 µA. Eine wichtige Funktion dieses Geräts ist die Optimierung der Effizienz der Energieumwandlung bei geringem Ausgangsstrom, indem automatisch zwischen Pulsfrequenz- (PFM) und Pulsweitenmodus (PWM) umgeschaltet wird.

Dieser adaptive Ansatz erweist sich auch bei der Verwendung anderer Stromquellen (z. B. Wärmeenergie) als nützlich. Dies kann in einer Industrieumgebung eingesetzt werden, um Energie aus Wärmedifferenzen zu erzeugen. Wärmekraftmaschinen wie die WPG-1 von Laird können bis zu 1,5 mW nützliche Ausgangsleistung produzieren und eine breite Palette von Widerstandslasten handhaben (Abbildung 4). Ein Aufwärtswandler für extrem niedrige Spannungen ist integriert und liefert nutzbare Ausgangsleistung bei niedrigen Temperaturdifferenzen (<20 °K). Die Ausgangsleistung kann für drei Spannungssollwerte reguliert werden (3,3 V, 4,1 V oder 5,0 V), um einen Sensorknoten oder auch größere Ausrüstungselemente zu versorgen.

Bei dem Gerät handelt es sich um einen in sich geschlossenen Dünnschicht-Wärmekraftgenerator, der Abwärme aufnimmt und in nutzbaren Ausgangsgleichstrom für kabellose Sensornetzwerke umwandelt. Für verschiedene Wärmeunterschiede oder Ausgangsspannungen können spezielle Ausführungen geplant werden, um wechselnde Wärmeaufnahme- und Wärmeableitungsmechanismen zu unterstützen.

Abbildung 4: Stromleistung der Wärmekraftmaschine WPG-1 von Laird in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz

Eine Möglichkeit, die Zuverlässigkeit einer Energy-Harvesting-Quelle zu erhöhen, ist die Verwendung einer Kondensatorbank für die Aufnahme von Energie, bevor diese verwendet oder in einer lokalen Batterie gespeichert wird. Die EPAD-Energy-Harvesting-Module der Serie EH300/EH301 von Advanced Linear Devices können Energie aus mehreren Quellen aufnehmen, um einen typischen Spannungsausgang von 3,3 V und 5,0 V für Anwendungen mit Abtastdaten aus einem intermittierenden Lastzyklus mit geringem Energieverbrauch oder einer zustandsbasierten Überwachung bereitzustellen und anspruchsvolle Anforderungen hinsichtlich der Lebensdauer zu erfüllen. Die energieautarken Module sind immer aktiv, sodass sie Eingangsspannungen von 0,0 bis +/-500 V_AC oder _DC und Eingangsstromstärken von 200 nA bis 400 mA sofort aus Energy-Harvesting-Quellen aufnehmen können, die elektrische Energie konstant oder intermittierend und unregelmäßig mit verschiedenen Quellenimpedanzen erzeugen. 

Abbildung 5: Das Modul EH300 von Advanced Linear Devices nutzt eine Kondensatorbank für die Umsetzung eines konstant aktiven Leistungsmanagements für verschiedene Energy-Harvesting-Quellen.

Jedes Modul wird für den Betrieb zwischen zwei Speisespannungsgrenzwerten (+V_low DC und +V_high DC) eingestellt, die den geringsten (V_L) und höchsten (V_H) Versorgungsspannungen des Sensorknotens entsprechen.

Wenn Energie aus einer Energiequelle als Ladeimpulse in die Moduleingänge geleitet wird, werden diese Ladungspakete gesammelt, zusammengeführt und in einer internen Kondensatorbank gespeichert. In den meisten Energy-Harvesting-Anwendungen kommen die elektrischen Ladungspakete in Form von Eingangsspannungsspitzen an, die nicht kontrolliert werden und unvorhersehbar sind. Sie treten häufig in einem großen Spannungs- und Strombereich und zeitlich verschiedenen Wellenformen auf und sind dadurch ggf. nur schwer zu handhaben. Beispielsweise kann ein EH300-Modul innerhalb von 4 Minuten mit einem durchschnittlichen Eingangsstrom von 10 µA und innerhalb von 40 Minuten mit einem durchschnittlichen Eingangsstrom von nur 1,0 µA laufen.

Fazit

Energy Harvesting stellt eine effektive Art der Stromversorgung für ein Sensornetzwerk dar, das nicht durch die Verwendung von Kabeln eingeschränkt ist. Durch die Positionierung der Sensoren an Stellen, wo sie erforderlich sind und mit Strom versorgt werden, der aus den Vibrationen der Ausrüstung oder aus dem Umgebungslicht gewonnen wird, können nützliche Daten gewonnen werden, um den zuverlässigen Betrieb von Industriesystemen zu gewährleisten. Durch die Kombination mit wiederaufladbaren Batterien werden Wartungs- und Austauschzeiträume deutlich verlängert. Sie bieten gleichzeitig eine flexible und effektive Möglichkeit der zuverlässigen Überwachung von Ausrüstung über ein kabelloses Sensornetzwerk.