Sensorschraube

Funkvernetzung von Sensoren für Nutzfahrzeuge mit Energy Harvesting

Gemeinsam mit der Professur für Mess- und Sensortechnik der Technischen Universität Chemnitz entwickelte IK Elektronik ein Sensorsystem, das sich in eine Schraube integrieren lässt, dort Sensordaten erfasst und per Funk an einen Empfänger sendet. Die Sensorschraube kombiniert Energy Harvesting mit Funkelektronik.

Das Forschungsprojekt wurde vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt und vom Elektronikdistributor Rutronik gefördert.

Sensorschraube mit speziellem Energy Harvester

Damit die Sensorschraube ohne Batterien oder externe Spannungsversorgung und damit wartungsfrei arbeitet, wird die nötige Energie durch einen elektrodynamischen Energy Harvester gewonnen. Äußerlich unterscheidet sich die Schraube kaum von einem ganz gewöhnlichen Modell und erfüllt den selben Zweck. Für das Projekt stand der Einsatz der Schraube in Nutzfahrzeugen im Vordergrund, zum Beispiel in Gurtschlössern, Anhängerkupplungen, rund um das Getriebe oder den Motor.

Die Sensorschraube musste aufgrund ihres gewählten Einsatzortes auf eine raue Umgebung angepasst sein. Das erfordert ein weitestgehend hermetisch dichtes Gehäuse, sodass Staub und Spritzwasser keine Auswirkungen auf die Schraube haben. Zudem muss das System auf einen weiten Temperaturbereich ausgelegt sein, um im Winter wie im Sommer sowie in unterschiedlichen Klimazonen stabil zu funktionieren. Dies gilt insbesondere auch im Hinblick auf die Ausdehnung des Materials. Angesichts des begrenzten Platzes in einer Schraube durfte das System außerdem nur ganz geringe Abmessungen haben.

Spezielle Elektronik für die Energieaufbereitung

Um die nötige Energie für die Signalaufbereitung und -verarbeitung des Sensorsystems zu gewinnen, galt es, die kinetische Energie der Vibrationen des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln und nutzbar zu machen. Da die Schwingungen mit ganz unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen auftreten, erzeugt auch der Energiewandler eine Wechselspannung mit schwankender Amplitude und Frequenz. Dies stellt die Entwickler vor eine gewisse Herausforderung, vor allem bei Vibrationen mit sehr geringer Amplitude, die auch sehr kleine Wechselspannungen ergeben. Denn bei gewöhnlichen Gleichrichtern entstehen gerade bei sehr kleinen Spannungen relativ hohe Verluste. Deshalb war hier ein Boost-Converter mit hohem Wirkungsgrad und gutem Startverhalten erforderlich. Dieser musste extrem kompakt sein und in das Innere der Schraube passen. Hinzu kamen die mechanischen und elektrischen Anforderungen an das System, zumal letztendlich der Einsatz in metallischer Umgebung gegeben war. Sowohl der Energiewandler als auch das Energiemanagement waren für bestimmte Vibrationsfrequenzbereiche zu optimieren.

Eine weitere Herausforderung für die Entwickler der IK Elektronik war es, aus geringsten Wechselspannungen mit möglichst hohem Wirkungsgrad eine nutzbare Gleichspannung zu erzeugen und die gewonnene Energie in einer praktikablen Art und Weise zu speichern.

Wie das gelungen ist lesen Sie im vollständigen Beitrag von Jan-Erik Kunze (IK Elektronik), Prof. Dr. Olfa Kanoun (TU Chemnitz) und Andreas Mangler (Rutronik).

(Bild: www.1zoom.me | TU Chemnitz)