Entwurfsmethodik für das Co-Design von mechanischer Struktur und Schnittstellenschaltung elektrodynamischer Energy-Harvester

• Antragsteller: Dr. Thorsten Hehn; Professor Dr.-Ing. Ralf Sommer
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452215927

Durch Energy Harvesting kann Umgebungsenergie in elektrische Energie gewandelt werden, um somit beispielsweise energieautarke Funk-Sensor-Knoten zu betreiben. Hierdurch bieten sich zahlreiche neue Möglichkeiten für Anwendungen wie Industrie 4.0 oder dem Internet der Dinge, in denen viele Sensoren an dezentralen Orten benötigt werden. Die Energieversorgung mittels Batterie oder Kabel verursacht hier hohe Wartungs- bzw. Installationskosten und soll deshalb vermieden werden. Aus diesem Grund hat Energy Harvesting das Potential, zu einer Schlüsseltechnologie für die Verbreitung von Sensoranwendungen zu werden.In dem beschriebenen Forschungsvorhaben wird ein Co-Design aus Mechanik und Elektronik für elektromechanische Vibrations-Harvester entwickelt. Für die betrachteten elektrodynamischen Energy Harvester werden somit für gegebene Anforderungsbedingungen das optimale Harvestingsystem entwickelt. Dies erweitert den Stand der Technik, indem Harvester und Schnittstellenelektronik getrennt voneinander entwickelt werden, was in der Nichtnutzung der Synergien von Mechanik und Elektronik resultiert und somit zu einem suboptimalen Gesamtsystem führt.Es wird hier der Ansatz verfolgt, bereits in der Entwurfsphase das Zusammenspiel von Elektronik und Mechanik durch eine entsprechende Modellierung zu berücksichtigen, um somit Synergieeffekte nutzen zu können. Mittels eines Optimierungsalgorithmus kann dann für die gegebenen Rahmenbedingungen wie beispielsweise Signalform, Frequenz und Amplitude der Anregung, Baugröße des Harvesters etc. ein optimales Gesamtkonzept, bestehend aus Harvester- und Schnittstellenschaltungstopologie inklusive der Parameterbestimmung generiert werden.Hierzu muss eine entsprechende ganzheitliche Modellierung entwickelt werden, in der sowohl die Mechanik als auch die Elektronik abgebildet werden können. Zudem sollen noch weitere physikalische Domänen wie beispielsweise der Magnetismus mit integriert werden können. Es werden verschiedene Modellierungsansätze evaluiert und auf ihre Tauglichkeit untersucht. Zudem gilt es, die optimale Abstraktionsebene zu ermitteln, so dass die dominanten Effekte genügend genau berücksichtigt werden, aber keine allzu rechenintensive Modellierung entsteht, wie beispielsweise bei der Abbildung der Elektronik auf Transistorebene oder der Abbildung der Mechanik auf die Ebene einer Finite-Elemente-Modellierung. Zudem soll für die Mechanik, ähnlich wie es in der Elektronik bereits Standard ist, der Einfluss der Prozessvariation mit betrachtet werden können.Zur Validierung der Ergebnisse wird mit dem hier entwickelten Optimierungstool für eine gegebene Anforderung ein entsprechendes Gesamtsystem bestehend aus miniaturisiertem Harvester und Schnittstellen-ASIC entwickelt, gefertigt und vermessen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen