Post on 05-Apr-2015
transcript
Institut für Nachrichtentechnik
Christian Lange
Betreuer: Martin Stemick
Technische Universität Hamburg-HarburgInstitut für Nachrichtentechnik
E-Mail: christian.lange@tu-harburg.de; stemick@et2.tu-harburg.de
6. Junior-Treffen, 10.07.2008
Entwicklung einer solarbasierten Energieversorgung für
IRIS-Sensorknoten
2
Institut für Nachrichtentechnik
Motivation
Wie kann ein Backbone aus Sensorknoten dauerhaft versorgt werden?
Idee: Mit Sonnenenergie und einer Solarzelle• Autark• Ausgereifte Technologie• Vielzahl von Modultypen verfügbar• Flexibler Anbringungsort
Deshalb: Entwicklung einer solarbasierten Energieversorgung
3
Institut für Nachrichtentechnik
Inhalt
• Anforderungen an die Energieversorgung
• Das entwickelte Konzept
• Stand der Arbeit
• Nächste Schritte
4
Institut für Nachrichtentechnik
Anforderungen
• Ausfallsicherheit auch während Wintermonaten
• Betrieb innerhalb eines weiten Temperaturbereiches von -20°C bis +50°C
• Gute Handhabbarkeit der Energieversorgung
• Hohe Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Energieversorgung
• An verschiedene Energieverbräuche anpassbar
5
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
Solarzelle Energiespeicher
Ladeschaltung/
Laderegler
Anforderungen derSensorknoten im
Backbonenetz
6
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
7
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
Pufferkondensator
8
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
Pufferkondensator
9
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
10
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
11
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
12
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Temperatur-kompensation
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
EinstellenderLadespannung
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
13
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Temperatur-kompensation
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Kontroll-schaltung
Bypass
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
EinstellenderLadespannung
Kontrolsig.
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
14
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Temperatur-kompensation
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Kontroll-schaltung
Bypass
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
EinstellenderLadespannung
Kontrolsig.
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
15
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Temperatur-kompensation
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Kontroll-schaltung
Bypass
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
Ein/Aus
EinstellenderLadespannung
Kontrolsig.
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Notfall Batteriez.B. 2 X 1,5 V
TrockenbatterieNiMh, Li
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
16
Institut für Nachrichtentechnik
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Temperatur-kompensation
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Kontroll-schaltung
Bypass
Notfall Batteriez.B. 2 X 1,5 V
TrockenbatterieNiMh, Li
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
Ein/Aus
EinstellenderLadespannung
Kontrolsig.
Temperatursensor
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
IRIS
Kno
ten
I/O A
DC
Versorgung
17
Institut für NachrichtentechnikIR
IS K
note
n I/O
AD
C V
ersorgung
Temperatursensor
Abwärts-WandlerIn: 3,8 V – 5,1 V
Out: 2,0 V – 3,3 VIout: 30 mA
Notfall Batteriez.B. 2 X 1,5 V
TrockenbatterieNiMh, Li
Konzept
SolarpanelUnenn: 3,9V
Uleerlauf: 4,9 V
Pufferkondensator
Temperatur-kompensation
Blei-Gel-Akku2 x 2,0 V
Ubatt: 3,8 V – 5,1 VKapazität: 2,5 Ah
Energiepfade
Steuerpfade und Kontrollsignale
EinstellenderLadespannung
Kontrolsig.
Aufwärts-WandlerIn: 3,6 V – 4,9 VOut: 4,2 V- 5,1 V
Imax: 200 mA
Zustände:
1. Laden aktiv
2. Akku ist tiefentladen
3. Akku ist fast voll
4. Bypass aus der Solarzelle
Zustände:
1. Laden aktiv
2. Akku ist tiefentladen
3. Akku ist fast voll
4. Bypass aus der Solarzelle
Kontroll-schaltung
Bypass
Interessante Spannungen:
1. Solarzellen-Spannung
2. Akkuspannung
3. Spannung des IRIS-Knotens
4. Spannung der Pufferbatterie
Interessante Spannungen:
1. Solarzellen-Spannung
2. Akkuspannung
3. Spannung des IRIS-Knotens
4. Spannung der Pufferbatterie
IRIS
Kno
ten
I²C A
DC V
ersorgung
Zustände
Spannungen
Ein/Aus
18
Institut für Nachrichtentechnik
Features der Energieversorgung
• Stand alone: Zur Funktion ist keine Software erforderlich, lediglich zur Kontrolle des Status
• Integrierbar: Die Platine ist an den IRIS-Knoten ansteckbar und ermöglicht weiterhin das Anstecken zusätzlicher Erwiterungsboards
• Guter Wirkungsgrad: Erreichbar durch die Arbeitspunktoptimierung der Solarzelle und der Verwendung von Schaltwandlern sowie eine niedrige Stromaufnahme der Gesamtschaltung
19
Institut für Nachrichtentechnik
Features der Energieversorgung
• Ausfallsicherheit: Durch eine Notfallbatterie kann die Ausfallsicherheit erhöht werden
• Skalierbar: Die Energieversorgung kann an andere Energieverbräuche angepasst werden
• I²C-Interface: Sämtliche Zustände und Spannungen sind über eine I²C-Schnittstelle auslesbar nur ein ADC-Pin wird somit benötigt
20
Institut für Nachrichtentechnik
Stand der Arbeit
21
Institut für Nachrichtentechnik
Nächste Schritte
• Inbetriebnahme abschliessen
• Labortests
• Dauertests mit Datenübertragung und Speicherung in MySQL
• Bewerten der Testergebnisse
22
Institut für Nachrichtentechnik
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!