Energy Self-Sufficient Systems
Autarke Systeme erledigen ihre Aufgaben weitgehend ohne äussere Unterstützung. Sie sind unabhängig von elektrischer Energiezufuhr, Kommunikation oder externer Rechenleistung. Autarke Embedded-Systeme betreiben geeignete Mikrocontroller-Systeme und arbeiten mit optimiertem Energiebudget. Sie kommen ohne Batteriewechsel aus oder gewinnen die benötigte elektrische Energie aus der Umgebung (z.B. Licht, Wärme, Bewegung oder Radiowellen). Typischerweise funktionieren sie komplett ohne Kommunikation oder werden drahtlos verbunden.
Autarke Systeme
Autarke Systeme sammeln die für den Betrieb benötigte Energie aus der Umwelt (Energy Harvesting). Sie kommunizieren drahtlos oder funktionieren komplett ohne Kommunikation zum Beispiel als autarkes Stellglied. Dadurch erreichen sie eine hohe Standzeit und arbeiten wartungsfrei. Es sind Einsatzgebiete möglich, in denen eine Verkabelung oder eine Wartung (zum Beispiel Batteriewechsel) unmöglich oder unwirtschaftlich wäre. Der Einsatz von Energy Harvesting generiert einen Mehrwert für bestehende Applikationen oder ermöglicht ganz neue Anwendungen für Embedded Systeme. Sensoren oder Aktuatoren können als vollkommen energieautarke Systeme betrieben werden.
Auslegung und Entwicklung Autarker Systeme
Autarke Systeme müssen mit einem begrenzten Energiebudget auskommen. Die Funktionalität und die Betriebszeiten des Systems werden einerseits durch die Anwendung bestimmt, andererseits durch die zur Verfügung stehende Energie. Daher ist ein ganzheitlicher Systemansatz notwendig, der die drei Aspekte Energy Harvesting, Energiemanagement und Energienutzung durch die Applikation gleichermassen berücksichtigt. Neben dem System selbst muss vor allem auch die Applikation und Funktionalität von Beginn an auf Autarkie ausgelegt sein.
Unsere Leistungen
Ausgehend von der Applikation berücksichtigen wir alle Aspekte zur Entwicklung autarker Systeme, um für unsere Partner den grösstmöglichen Nutzen zu realisieren. Dabei legen wir den Fokus auf Realisierbarkeit, Stabilität und Wirtschaftlichkeit der Lösungen. Die von uns mit Partnern aus der Industrie durchgeführten Projekte führen mehrheitlich zu einer Produktentwicklung.
Unsere Tätigkeiten umfassen alle Schritte für die Entwicklung Autarker Systeme
- Analyse der Applikation
- Konzeptionierung des Gesamtsystems
- Auswahl der geeigneten Harvesting-Technologie / Harvester und Auswahl oder Entwicklung von Boostern und Konvertern
- Entwicklung von Low-power Embedded Systems mit Funkübertragung und angeschlossenen Verbrauchern
- Implementierung der Software (Mikrocontroller, Funkübertragung, Empfänger)
- Auslegung und Optimierung des Powermanagements
- Entwurf und Implementierung von intelligenten Algorithmen zur Minimierung des Energieverbrauchs
Ausgewählte Projekte und Forschungsarbeiten
Effizienter Boost-Converter zur Nutzung geringer Temperaturdifferenzen für Energy Harvesting
Der neu entwickelte Boost-Converter für das Energy Harvesting mit thermoelektrischen Generatoren (TEGs) startet bereits bei minimalen Eingangsspannungen von wenigen 10 Millivolt effizient. Durch das zweistufige Design stellt er eine geregelte Ausgangsspannung von 3,6 V bereits bei geringen Temperaturdifferenzen am TEG zur Verfügung. Der Prototyp liefert bei einer Temperaturdifferenz von 3 °C eine Leistung von 802 Mikrowatt am Ausgang. Dabei weist der Booster einen Wirkungsgrad von 62% aus.
Energieautarkes Überwachungssystem mit Edge Computing für industrielle Pumpen
Das autarke Überwachungssystem für Industriepumpen kombiniert Edge Computing mit Energy Harvesting. Das System bezieht seine Energie vollständig aus der Temperaturdifferenz zwischen Pumpengehäuse und Umgebungsluft mithilfe eines thermoelektrischen Generators (TEG). Bereits ab einer Temperaturdifferenz von 3 °C kann ausreichend Energie gesammelt werden, um regelmässig komplexe Analysen und sämtliche Berechnungen direkt auf dem Gerät (on the edge) durchzuführen.
Elektronisches Werkzeugbuch zur permanenten Werkzeugüberwachung in industriellen Anwendungen
Das autonome, energieautarke, elektronische Werkzeugbuch prozesskritische Daten und Ereignisse für Werkzeug und Fertigung permanent, ohne dass es einer regelmässigen Interaktion des Anwenders bedarf. Es ist für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert und arbeitet komplett ohne externe Energieversorgung.
Zutrittskontrolle mit Energy Harvesting aus der Türklinkenbewegung
Das am InES entwickelte Zutrittskontrollsystem demonstriert eine erfolgreiche Anwendung von Energy Harvesting. Die beim Betätigen von Türklinken aufgebrachte Bewegungsenergie wird im System in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Ansatz ermöglicht die batterie- und kabellose Authentifizierung und Entriegelung von Türen mittels NFC-Tags. Der Prototyp integriert einen speziell entwickelten Motor zur Energiegewinnung und einen Spannungsregler für das Energiemanagement, was eine umweltfreundliche und wartungsarme Alternative zu traditionellen elektrischen Schlössern darstellt.
Intelligenter Schuh mit Energy Harvesting
Das Wearable bezieht seine Energie mittels Energy Harvesting aus der Gehbewegung. Es misst verschiedene Daten und sendet sie an ein Smartphone zur Visualisierung und Weiterverarbeitung.
Das vollständig autarke Heizungsventil verwendet einen Thermoelektrischen Generator (TEG) und einen optimierten Booster für das Energy Harvesting.
Energieautarke Elektronik im Lüftungskanal
Das energieautarke System misst aktuelle Umgebungsdaten und verstellt Lüftungsklappen. Die Energieversorgung erfolgt mittels Energy Harvesting aus der Luftströmung.
Energieautarkes System zur Überwachung von Kanalisationsnetzen
Das neu entwickelte System zur energieautarken Überwachung von Abwassernetzwerken sammelt die benötigte Energie aus Umgebungsquellen wie Temperaturunterschieden oder Restlicht in Abwassernetzen. Es erfasst werden Wasserstandsdaten und überträgt sie mittels LoRaWAN® über weite Entfernungen.
Echtzeit Positionstracking und Zieleinlauferkennung mit LoRa
Das System erfasst die Position von bis zu 255 Objekten auf einem räumlich ausgedehnten Gebiet. Die Kommunikation zwischen den Trackern und der Basisstation erfolgt mittels LoRa Funkübertragung. Reichweiten bis zu 40 km sind möglich.
Condition Monitoring System für industrielle Antriebe
Das Condition Monitoring System sammelt aus den Vibrationen des Antriebs die benötigte Energie für Sensoren, Microcontroller und Radio.
Wireless Body Area Network for Autonomous Robots (roboBAN)
Das Wireless Body Area Network ist für Energy Harvesting ausgelegt und erreicht eine ausreichend hohe Übertragungssicherheit und –häufigkeit für Steuerungsanwendungen.
Kooperationen zur Realisierung von Komplettlösungen
Autarke Systeme ermöglichen die Realisierung von vielfältigen Lösungen. Die Einbindung in grössere Kommunikationsnetzwerke oder verteilte Systeme eröffnet weitergehende Möglichkeiten. Durch enge Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgebieten können wir die gesamte Informationskette für unterschiedliche Themengebiete realisieren. Gemeinsam beherrschen wir die Kette vom Autarken Sensor über die Datenübertragung bis hin zur Auswertung und Nutzung.
Zusammen mit dem Forschungsgebiet «Internet of Things» realisieren wir verteilte autarke Systeme und Sensornetzwerke.
Wir sind an zwei Forschungsplattformen beteiligt, welche die Kompetenzen mehrerer Forschungsbereiche bündeln. Gemeinsam mit unseren Forschungspartnern können wir über die Plattformen das komplette Themengebiet abdecken: