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Energieversorgung für einen drahtlosen Sensorknoten

Benker, Simon (2014):
Energieversorgung für einen drahtlosen Sensorknoten.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG MuST, [Bachelor Thesis]

Abstract

Das Institut für Elektromechanische Konstruktion der TU Darmstadt setzt zur Demonstration der dort entwickelten Sensorsysteme mobile Energieversorgungssysteme ein. Das Laden dieser Systeme erfolgt bisher kabelgebunden. Eine drahtlos ladbare Energieversorgung ist daher wünschenswert. Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Auslegung einer Energieversorgung für einen drahtlosen Sensorknoten. Nach einer Betrachtung aktueller Standards zur induktiven Energieübertragung wird die Möglichkeit der Realisierung des Energiespeichers durch einen Superkondensator diskutiert. Aufgrund des mobilen Einsatzes ist eine möglichst hoher Wirkungsgrad des Energiespeichers gefordert. Dazu werden unterschiedliche Konzepte zur Bereitstellung der gespeicherten Energie aufgestellt und untersucht. Aus diesen Konzepten wird das effizienteste in einem Demonstrator implementiert. Der hier entwickelte Demonstrator ist über ein Qi-konformes Übertragungssystem induktiv ladbar. Dieses besteht aus einer Ladestation mit dazugehörigem Empfänger. Hierdurch ist das Laden des Energiespeichers auf einer Distanz von bis zu d = 10mm möglich. Der Energiespeicher ist durch einen Superkondensator realisiert. Ein Buck-Converter wandelt die vom Qi-Empfänger bereitgestellte Spannung auf die Nennspannung des Superkondensators, um diesen zu Laden. Durch eine variable Spannungsabwärtsregelung ist es möglich, Superkondensatoren mit Nennspannungen von U Nenn = 5V mit einem Strom von bis zu I Lade = 3A zu Laden. Ein Buck-/Boost-Converter nimmt anschließend die Anpassung der Kondensatorspannung an die Spannung des Sensorknotens vor. Um so viel wie möglich der im Superkondensator gespeicherten Energie nutzen zu können, ist ein Buck-/Boost-Converter mit einer möglichst niedrigen Betriebsspannung nötig. Hierfür wurde ein TPS61200 von Texas Instruments mit einer minimalen Betriebsspannung von U Betrieb,min = 0,3V gewählt. Der Wirkungsgrad des Energiespeichers beträgt dadurch ? gesamt = 88% . Weiterhin ist die Möglichkeit der Integration der Energieversorgung in einen I²C-Bus zur Überwachung dessen Ladezustands gegeben.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2014
Creators: Benker, Simon
Title: Energieversorgung für einen drahtlosen Sensorknoten
Language: German
Abstract:

Das Institut für Elektromechanische Konstruktion der TU Darmstadt setzt zur Demonstration der dort entwickelten Sensorsysteme mobile Energieversorgungssysteme ein. Das Laden dieser Systeme erfolgt bisher kabelgebunden. Eine drahtlos ladbare Energieversorgung ist daher wünschenswert. Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Auslegung einer Energieversorgung für einen drahtlosen Sensorknoten. Nach einer Betrachtung aktueller Standards zur induktiven Energieübertragung wird die Möglichkeit der Realisierung des Energiespeichers durch einen Superkondensator diskutiert. Aufgrund des mobilen Einsatzes ist eine möglichst hoher Wirkungsgrad des Energiespeichers gefordert. Dazu werden unterschiedliche Konzepte zur Bereitstellung der gespeicherten Energie aufgestellt und untersucht. Aus diesen Konzepten wird das effizienteste in einem Demonstrator implementiert. Der hier entwickelte Demonstrator ist über ein Qi-konformes Übertragungssystem induktiv ladbar. Dieses besteht aus einer Ladestation mit dazugehörigem Empfänger. Hierdurch ist das Laden des Energiespeichers auf einer Distanz von bis zu d = 10mm möglich. Der Energiespeicher ist durch einen Superkondensator realisiert. Ein Buck-Converter wandelt die vom Qi-Empfänger bereitgestellte Spannung auf die Nennspannung des Superkondensators, um diesen zu Laden. Durch eine variable Spannungsabwärtsregelung ist es möglich, Superkondensatoren mit Nennspannungen von U Nenn = 5V mit einem Strom von bis zu I Lade = 3A zu Laden. Ein Buck-/Boost-Converter nimmt anschließend die Anpassung der Kondensatorspannung an die Spannung des Sensorknotens vor. Um so viel wie möglich der im Superkondensator gespeicherten Energie nutzen zu können, ist ein Buck-/Boost-Converter mit einer möglichst niedrigen Betriebsspannung nötig. Hierfür wurde ein TPS61200 von Texas Instruments mit einer minimalen Betriebsspannung von U Betrieb,min = 0,3V gewählt. Der Wirkungsgrad des Energiespeichers beträgt dadurch ? gesamt = 88% . Weiterhin ist die Möglichkeit der Integration der Energieversorgung in einen I²C-Bus zur Überwachung dessen Ladezustands gegeben.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Energieübertragung drahtlos Akkumulator technische Grundlagen Steuerung Mit LabView
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 22 Jun 2015 08:32
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB 1866

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 02-06-2014

Ende Datum: 02-09-2014

Identification Number: 17/24 EMKB1866
Referees: Werthschützky, Prof Roland
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