Batterieloser Mikroschalter mit kabelloser Schnittstelle Design und

Batterieloser Mikroschalter mit kabelloser Schnittstelle
Design und simulierte Optimierung
Dr.-Ing. A. Graf, ZF Friedrichshafen AG; Dipl-Ing. (FH) E. Ruff, M.Sc. M. Saitner, Dipl-Ing.
(FH) M. Wannags, Dipl.-Ing. (FH) W. Keck
Kurzbeschreibung
Der Artikel befasst sich mit einem neuartigen, batterielosen Mikroschalter. Basierend auf
einem induktiven Energy Harvester, wandelt das System kinetische Energie in den
elektrischen Bereich um. Die Energie von bis zu 0,9 mWs wird genutzt, um einen MikroController und eine kabellose Kommunikationsschnittstelle, die Informationen über den
Schaltzustand zu einer Empfangseinheit schickt, anzutreiben. Mit einer Funkleistung von
10dBm ist im freien Feld eine Reichweite von 300m möglich. Sowohl der Harvester als auch
die elektronischen Schaltungen können in ein Gehäuse mit den Abmessungen 17x6x8mm³
integriert werden. Im Artikel wird der batterielose Mikroschalter detailliert beschrieben und es
wird auf die elektronischen und magnetischen Schaltungen ebenso eingegangen wie auf die
Verpackung und die Möglichkeiten der Integration. Die Funktionalität und die Grenzen des
batterielosen Mikroschalters werden anhand eines Automobil-Telemetrie-Systems
aufgezeigt.
Einführung
Die jüngsten Trendanalysen zeigen ein stetig wachsendes Interesse an autarken Systemen.
Mit Wachstumsraten von mehr als 10% konnte 2009 ein Geschäftsvolumen von 527 Mio. $
erzielt werden. [1] Der Erfolg ist weitestgehend den Fortschritten in der Forschung zu
verdanken. Neben dem allgemeinen Trend zur Miniaturisierung können 3 wichtige
Forschungsgebiete
identifiziert
werden:
low
power
Halbleiterschaltkreise,
Energiemanagement, und einer verbesserten Effizienz des Energiewandlers.
Erste Untersuchungen in Richtung einer Reduktion des Energieverbrauchs bei CMOS
Schaltungen wurden zu Beginn des zweiten Jahrtausends realisiert. Zu diesem Zeitpunkt
wurden die Aktivitäten vom wachsenden Markt der mobilen, batteriebetriebenen
elektronischen Geräte angetrieben. [2] Basierend auf dem Ergebnis und der darauffolgenden
Aktivitäten wurden elektronische Schaltungen mit geringer Leistungsaufnahme und
Netzspannungen von ca. 1V entwickelt welche das Design von batterielosen Systemen mit
sensorischen Fähigkeiten und Datenübertragungsfähigkeiten ermöglicht.
Weitere Untersuchungen konzentrierten sich auf das Power Management batterieloser
Systeme. Aufgrund eines aufeinander abgestimmten Hardware und Software Designs kann
die Energieeffizienz signifikant erhöht werden. Gewöhnlich werden elektronische
Baugruppen mit unterschiedlichen Betriebsmodi genutzt. Es wird hiermit ermöglicht, die
elektronische Schaltung teilweise abzuschalten, um dadurch Energie einzusparen und die
Betriebsdauer des Systems zu erhöhen. [4] Der Energieverbrauch der Funkschnittstelle kann
gleichermaßen reduziert werden, indem die Übertragungsgeschwindigkeit und die
erforderliche Sendeleistung aneinander angepasst werden. Auf der anderen Seite des
Systems wurden DC-DC Transformatoren und Maximum Power Point Tracker entwickelt, um
mehr Energie vom Harvester zu erhalten. [5]
Das Design des Systems wurde in erster Linie an anwendungsbezogenen Belangen
ausgerichtet. Dies findet im Besonderen Anwendung für den Energy Harvester, wonach sich
drei Typen in Bezug auf ihre primäre Energiequelle voneinander unterscheiden lassen:
thermische, Licht- und mechanische Harvester.
Der letztgenannte Typ umfasst Vibrations- und Schaltwandler mit piezoelektrischen und
induktiven Wandlungsprinzipien [6]. Für Anwendungen im Bereich der Industrie- und
Gebäudeautomatisierung [7] werden induktive Harvester aufgrund des verbesserten PreisLeistungs-Verhältnisses und der höheren Zuverlässigkeit bevorzugt. Bei automobilen
Technologien / Applikationen können nur wenige batterielose Sensoren, wie unter Anderem
Sensoren zur Reifendruckkontrolle, gefunden werden. Die Gründe hierfür können entweder
der Mangel an Energiedichte oder die hohen Kosten im Vergleich zu StandardMikroschaltern sein. Der vorliegende Artikel beschreibt einen sehr kleinen batterielosen
Schalter mit standardisierter Gehäusegröße und mimischer Betätigung. Er hat das Potential,
neue Funktionalitäten zu ermöglichen und die Komplexität gegenwärtiger Kabelbäume zu
reduzieren.
Konzept des batterielosen Funkschalters
Dieser Abschnitt stellt das Designkonzept des batterielosen Mikroschalters vor. Abbildung 1
zeigt ein Blockdiagramm mit allen Funktionseinheiten. Der Energy Harvester ist als induktiver
Generator implementiert, der die Energie von einer externen mechanischen Bewegung in
den elektrischen Bereich umwandelt. Das Ausgangssignal teilt sich in den Energie- und
Signalpfad auf. Im Energiepfad werden ein Gleichrichter und ein DC/DC Konverter
verwendet, um die verfügbare Output-Leistung des Energy Harvesters zu maximieren. Mit
dem Energie-Management, dessen Bestandteile ein Energiespeicherelement und eine
Recheneinheit sind, wird der Energiefluss in der Elektronik gesteuert. Im Signalpfad wird die
Ausgangsspannung des Generators als Signal zur Ermittlung der mechanischen
Betätigungsrichtung genutzt. Das Signal wird mit Hilfe des Mikrocontrollers gemessen. Des
Weiteren reguliert der Mikrocontroller die Berechnungs- und Kommunikationsvorgänge, um
den gesamten Energieverbrauch zu senken. Die Kommunikationsschnittstelle ist eine
bidirektionale RF-Einheit mit einer Antenneneinheit an deren Ausgang. Als Trägerfrequenz
wird das ISM Frequenzband genutzt.
Abbildung 2 zeigt einen Querschnitt des batterielosen Schalters, der ein Gesamtvolumen von
18 x 9 x 25mm³ hat. Der Schalter zeichnet sich durch ein wasserdichtes Gehäuse (1) mit
Dichtmanschette (2) und einem Zusatzbetätiger (3) aus. Im Inneren des Schalters sind die
funktionellen Bauteile wie zum Beispiel die Elektronik (5), Induktionsspulen (6) und der
Magnetkern (7) mit dem Federsatz (9) zu sehen. Weiterhin ist die Funkantenne der
kabellosen Verbindung zwischen Generator und Dichtmanschette angeordnet.
Dem Aufbau entsprechend sind Spulenträger und Elektronik am Gehäuse befestigt. Im
Gegensatz dazu sind der Magnetkern und der Federsatz flexibel am Spulenträger
angeschlossen. Das Drücken des Zusatzbetätigers führt zu einer senkrecht wirkenden Kraft,
die den Zusatzbetätiger nach unten bewegt und den mechanischen Federsatz neigt.
Zusammen mit der Gleitschiene (8) des Magnetkerns wird ein oberer und unterer toter Punkt
hergestellt. Das Energiewandlungsprinzip des induktiven Generators reagiert gemäß dem
Induktionsgesetz und hängt von der Anzahl der Spulenwindungen, dem Magnetfluss und der
Zeit, während der sich der Fluss ändert, ab. Da die Elektronik auf einfache Art und Weise in
ihrer Größe reduziert werden kann, wird die Größe des batterielosen Schalters maßgeblich
durch den Energieverbrauch beeinflusst. Die erzeugte Energie kann mit Hilfe niedriger
Reaktionszeiten, einer hohen Dichte des Magnetflusses und einer großen Anzahl von
Spulenwindungen erhöht werden. Beim Vergleich dieser Parameter mit dem Designkonzept
wurden diese auch im Mechanismus des toten Punktes, der doppelten Spulenanordnung
und dem Magnetkreis berücksichtigt. Genauer gesagt wird durch den Mechanismus des
toten Punktes ermöglicht, die mechanische Energie zu speichern, um sie dann in sehr kurzer
Zeit freizusetzen, sobald ein bestimmter Punkt überschritten wurde. Neben der erhöhten
Schaltgeschwindigkeit hat der Mechanismus den Vorteil ein spezifisches Schaltverhalten zu
bestimmen, welches im Automobilbereich von besonderer Bedeutung ist.
Der Magnetkreis besteht aus dem magnetischen Südpol-Schuh, dem Dauermagneten, dem
magnetischen Nordpol-Schuh und dem Magnetkern der induktiven Spulen. Im Ruhezustand
ist der Magnetkreis geschlossen wodurch ein statischer Magnetfluss erzeugt wird. Nachdem
die Federeinheit vorgespannt ist, um den oberen toten Punkt zu überwinden, bewegt sich der
Magnet von der oberen zur unteren Position. Dadurch ändert sich die Richtung des
Magnetflusses im Magnetkern und in den Spulen wird eine maximale Flussdifferenz
erzeugt. Mit einer doppelten Spulenanordnung wird der Magnetfluss in elektrische
Energie umgewandelt. Die Anordnung ermöglicht die Maximierung der Anzahl an
Spulenwindungen im Magnetkreis und optimiert die Effizienz der Energieumwandlung durch
die optimale Nutzung des Magnetfeldes. Um die Energieausbeute zu erhöhen sind die zwei
Spulen in Reihe geschaltet, um dadurch die Induktivität der Spule und die Energieleistung
des Generators zu verdoppeln. Wenn keine regelmäßigen Ereignisse zu berücksichtigen
sind, können Nachteile im Systemverhalten vernachlässigt werden. Neben diesen einfachen
Betrachtungen ist ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen notwendig, um einen
Magnetkreis mit hoher Effizienz auszulegen. Bedauerlicherweise interferiert die Optimierung
des Magnetflusses meist direkt mit der Anforderung niedriger Betätigungskräfte. Im
folgenden Abschnitt werden unterschiedliche Ansätze vorgestellt, um dieses Problem zu
minimieren.
Simulationsmodell
Der Optimierungsprozess konzentriert sich auf den Energiepfad des batterielosen Systems.
Im Einzelnen bezieht sich dies auf den Generator und die Elektronik. Um die
Verhaltensweise des Energiepfades zu ermitteln, wurden der Generator und die Elektronik in
ein Simulationsmodell implementiert. Das Modell ist in drei Teile untergliedert: das
mechanische, das magnetische und das elektrische Subsystem. Das mechanische
Subsystem ist in Abbildung 3 abgebildet. Es beschreibt die mechanischen Eigenschaften mit
zwei gekoppelten Federn kg und kk, einer mechanischen Last und einem Dämpfungselement
d. Die Werte FH und FM beschreiben jeweils die wirkenden und gegenwirkenden Kräfte.
Die Gegenkraft wird erheblich durch die mechanischen Randbedingungen des Magneten
beeinflusst. Um eine zutreffende Beschreibung der Kinematik zu geben, sind die
Führungsnuten des Magneten in die Differentialgleichung implementiert. Das magnetische
Subsystem wurde vom Magnetkreis abgeleitet, indem es in ein magnetisches
Reluktanzmodel umgewandelt wurde. Dieses Widerstandsnetzwerk ist in Abbildung 4 zu
sehen. Es umfasst die Widerstände der Polschuhe, des Magnetkerns und des
Dauermagneten.
Darüber hinaus wurden die bedeutendsten Luftstreckenwiderstände implementiert, was eine
ungefähre Berechnung der magnetischen Streuflüsse ermöglicht. Es wurde ein nichtlineares
Modell eingesetzt, um die Permeabilität des Magnetkreises zu beschreiben. Dazu wurde ein
iterativer Optimierungsprozess angewandt, um das dynamische Verhalten der magnetischen
Widerstände zu ermitteln. Wie gezeigt werden konnte, sind die Berechnungen der
Materialparameter des Magnetkerns, der Polschuhe sowie das Verhalten der
Permanentmagnete die zentralen Herausforderungen im Simulationsprozess. Zudem
müssen die mechanischen und chemischen Effekte auf das magnetische Verhalten der
Materialien bekannt sein, um ein fehlerfreies Modell zu erhalten. Innerhalb der Simulation
wurde eine Matrix für den magnetischen Widerstand Rm vom magnetischen
Widerstandsmodell durch die Lösung von Gleichung (1) abgeleitet. Mit Hilfe dieser Matrix
und der Koerzitivfeldstärke  des Permanentmagneten kann die magnetische Flussdichte Ø
berechnet werden:
Ø = Rm-10.
(1)
In Übereinstimmung mit Gleichung (2) ist die Magnetkraft FM zwischen dem Magnetblock und
dem Magnetkern proportional zum Quadrat des Magnetflusses Ø [8]:
FM =
Ø2
2Aeffµ0
(2)
mit Aeff als Wirkungsquerschnitt und µ0 als magnetische Permeabilität.
Der letzte Teil des Modells beschreibt die elektronischen Eingangsschaltungen. Er enthält
die differenzierte Beschreibung der induktiven Spulen, die Pufferkapazität und eine variable
Last, die den Energieverbrauch des Mikrocontrollers simuliert. Der Einfluss der
Gleichrichterschaltung vor der Pufferkapazität kann mit Hilfe eines einfachen
Widerstandsnetzwerks verstanden werden.
Optimierungskonzepte und Ergebnisse
In diesem Abschnitt sollen zwei unterschiedliche Wege zur Erhöhung der Effizienz des
Generators basierend auf Simulationsergebnissen präsentiert werden. Im ersten Schritt
wurde das Simulationsmodell auf Messdaten adaptiert. Hierfür wurde die
Ausgangsspannung eines existierenden induktiven Generators als Zeitfunktion beurteilt.
Abbildung 5 zeigt diese Daten und die dazugehörigen Simulationsergebnisse. Beim
Vergleich der beiden Kurvenverläufe konnte eine Standardabweichung von 6% und eine
Energieabweichung von 1% realisiert werden. Mit einem Gesamtwert von 0,8 mJ ist die
Energie groß genug, um die meisten Senderleiterplatten zu betreiben. Allerdings ist die
magnetische Kraft von 13N zu hoch um ein robustes Federdesign zu ermöglichen. Daher
wird der batterielose Schalter im Hinblick auf die Gesamteffizienz durch mechanische und
elektrische Ansätze optimiert. Da die magnetische Kraft zwischen dem Magneten und dem
Magnetkern direkt von der Flussdichte im Kontakt-Querschnitt abhängt (cp. Gleichung (2)),
konzentrieren sich die mechanischen Ansätze auf die Reduktion des Magnetflusses in
diesem Bereich.
In einer ersten Näherung können Magnetkreise ähnlich betrachtet werden wie elektronische
Schaltungen. Der magnetische Widerstand wurde auf mechanische Weise durch eine
Einkerbung im Magnetkern realisiert.
Die Verkürzung wurde im Widerstandsmodell durch einen zusätzlichen Widerstand im
Stromkreis des magnetischen Nordpol-Schuhs berücksichtigt. Die Wirkung dieser Änderung
wurde durch die Berechnung der Magnetkraft zwischen Magnetblock und Magnetkern für
unterschiedliche Rest-Bulk-Breite bewertet.
Die Ergebnisse der Simulation werden in Abbildung 6 aufgezeigt. Auf der Abszisse ist die
Restbreite des Magnetkerns und auf der Ordinate die relative Änderung der Magnetkraft und
die Energieleistung eingezeichnet. Im Gegensatz zu ersten Vermutungen wird die
Energieleistung im Vergleich zu den Magnetkräften überproportional stark reduziert. Um ein
tieferes Verständnis der Auswirkungen zu erhalten, wurde mit Maxwell eine statischmagnetische FEM Simulation durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchung konnte gezeigt
werden, dass die Flussdichte am magnetischen Südpol-Schuh deutlich höher ist als die
Flussdichte am magnetischen Nordpol-Schuh.
Da die Flussdichte quadratischen Einfluss auf die Magnetkraft ausübt, beeinflusst die
Verkürzung ausschließlich den kleineren Summanden der Magnetkräfte. Die hohen
Energieverluste sowie der schwierige Produktionsprozess stellen diese Lösung in Frage.
Neben der mechanischen Annäherung kann der Energie-Ertrag durch die Optimierung der
Impedanzanpassung zwischen Generator und elektrischer Schaltung erhöht werden. Wie
oben genannt, basiert die Modellrechnung auf den unterschiedlichen Bauformen der
passiven elektronischen Eingangsschaltung und den induktiven Magnetspulen des Energy
Harvesters. Unter der Voraussetzung einer konstanten Anzahl an Spulenwindungen, wurde
eine Anpassung des Kabel-Querschnitts und der Eingabekapazität untersucht.
Die Ergebnisse können in Abbildung 7 betrachtet werden. Auf der ersten und zweiten
Abszisse, sind jeweils der Kabel-Querschnitt und die Kapazität des elektrischen
Eingangskreises dargestellt. Auf der Ordinate ist der Energieertrag ersichtlich. Ein optimaler
Energiegewinn kann bei Cload = 25µF und dwire = 0,2mm erzielt werden.
Im Wesentlichen kann das Simulationsergebnis durch die Vergrößerung des
Kabelquerschnitts und der damit verbundenen Reduzierung des Innenwiderstandes der
Magnetspulen erklärt werden. Als Reaktion stellt sich eine kleine Spannung Uout am Ausgang
der Spulen ein. Gleichermaßen sinkt die gespeicherte Energie im Kondensator durch die
Erhöhung der Kapazität Cload. Bei zu geringen Drahtquerschnitten werden die Verluste im
Spulendraht jedoch sehr großen und dominieren. Diese Schlussfolgerung ist jedoch
quantitativ nur korrekt, wenn die Induktivität des Generators konstant ist. Im Fall des
batterielosen Mikroschalters ist die Impedanz zur Adaption der elektronischen Schaltung zu
berücksichtigen, was durch die simulative Kalkulation gestützt wird.
Applikation
Batterielose Systeme sind hauptsächlich durch die Reduktion von Kabelbäumen, den
Gewinn an Flexibilität und die Realisierung neuer Funktionalitäten motiviert. Als Beispiel
kann das Automobil-Telemetrie-System in Abbildung 8 herangezogen werden. Neue
Funktionalitäten in Autobussen wie beispielsweise ein automatisiertes Bestätigungssystem
von Routinechecks ähnlich der Vorflugkontrolle bei Flugzeugen, erfordern Informationen, die
auf keinem Datenbus direkt zugänglich sind, da die Integration einer größeren Anzahl
zusätzlicher Schalter in der Peripherie eines Fahrzeugs in komplexen Kabelbäumen
resultieren würde. Des Weiteren werden kabellose Komponenten mit Batterien aufgrund
ökologischer Gesichtspunkte und ihrer hohen Servicekosten vermieden.
Der vorgestellte batterielose Schalter ermöglicht eine alternative Variante. Mit Hilfe der
kabellosen Schnittstelle kann der Schalter flexibel in die Peripherie eines Fahrzeugs
integriert werden, während die Empfangseinheit in der Fahrerkabine installiert wird,
beispielsweise in der vorhandenen Telemetriebox. Im Gegensatz zu Kabelanschlüssen, wo
jede Komponente direkt einer speziellen Funktionalität zugeordnet ist, müssen die Schalter
erst ihrer spezifischen Anwendung innerhalb eines Lehrprozesses zugewiesen werden.
Relativ einfach kann der Lehrprozess durch eine Speicherfunktion innerhalb der
Empfangseinheit realisiert werden, welche die ID jedes Schalters mit der dazugehörigen
Funktion oder dem dazugehörigen Standort kombiniert. Neben der ID des Schalters können
zusätzliche Informationen wie zum Beispiel die Temperatur übertragen werden. Um die
korrekte Übertragung abzusichern, kann eine bidirektionale Kommunikation implementiert
werden. Die Ausführung derartiger Systeme ist flexibel und hängt von den Anforderungen
der spezifischen Systemumgebung ab.
Literaturverzeichnis
[1] Consée, R.M.: Energieautarke Funksensoren sparen Strom und Geld. Produktion
Technik, 29-30, 2010, pp. 1.
[2] Zdebel, P.J.: Low power / Niederspannung CMOS Technologien, eine vergleichende
Analyse. Mikroelektronische Technik, 39, 1997, pp. 123-137.
[3] Benini, L., De Micheli, G., Macii, E.: Low-power Schaltung entwerfen: praktische
Vorschläge, IEEE Circuits and Systems, 1, 2001, pp. 7-25.
[4] Arms, S. W., Townsend, C. T., Churchill, D. L., Galbreath, J. H.,
Mundell, S.W.: Power management für energy harvesting kabellose Sensoren,
Verfahren der SPIE , 2005, pp. 274-282.
[5] Mateu, L., Pollak, M., Spies M.: Analoge maximale PowerPoint-Schaltung bei
Thermogeneratoren angewendet, PowerMEMS, Internationaler Workshop für Mikro- und
Nanotechnologie für Stromerzeugung und energiesparende Anwendungen, 8,
microEMS, Symposium bei Mikroumgebung Maschine-Systeme, 2, 2008,
pp. 461-464.
[6] Martin, G., Schmidt F., Heller, W.: Keine Batterien, kein Kabel: Kabelloser Kongress 2008
Systeme & Anwendungen, 2008, pp. 1-9.
[7] Anders, A.: Energieautarke Funktechnologie, Gebäude & Automation, 15, 3, 2009,
pp. 16-17.
[8] Kallenbach, E., Eick, R., Quendt, P., Ströhla, T., Feindt, K., Kallenbach, M.:
Elektromagnete. Wiesbanden: Teubner-Verlag, 2003.