EnOcean-Funktechnik

Batterielose Funkmodule mit Energy Harvesting

29.07.2008 | Redakteur: Jan Vollmuth

Kommt bis zu eine Woche ohne Licht aus: Die Stromversorgung des Funkmoduls STM110 erfolgt über eine speziell entwickelte Solarzelle, deren aktive Solarfläche in zwei Abschnitte unterteilt ist, um eine unabhängige Stromversorgung bereitzustellen
Kommt bis zu eine Woche ohne Licht aus: Die Stromversorgung des Funkmoduls STM110 erfolgt über eine speziell entwickelte Solarzelle, deren aktive Solarfläche in zwei Abschnitte unterteilt ist, um eine unabhängige Stromversorgung bereitzustellen

Die EnOcean-Funktechnik überträgt Daten über Distanzen bis 300 m im Freifeld – mit Energie, die ausschließlich aus der Umgebung gewonnen wird. Die batterielose Technologie setzt ganz auf Energy Harvesting mithilfe hocheffizienter Kleinstenergiegeneratoren.

Die patentierte batterielose EnOcean-Funktechnik ermöglicht ein sehr weit reichendes Kurzstreckensignal mit äußerst geringen Mengen Umgebungsenergie. Mit lediglich 50 µWs kann ein serienmäßiges EnOcean-Funkmodul ein Signal im Freifeld über eine Distanz von 300 m übertragen. Das Geheimnis liegt in der Signaldauer: Der gesamte Prozess wird in nur einer Tausendstelsekunde ausgelöst, durchgeführt und abgeschlossen.

Die Elektronikmodule, die von OEM-Kunden in Funksensoren integriert werden, bestehen aus Energiegenerator, Energiewandler, Energiemanagement, Mikrocontroller mit Sensoreingängen und Funksender. Zur Stromversorgung setzt EnOcean das so genannte „Energy Harvesting“ ein: Hierbei kommen spezifische hocheffiziente Kleinstenergiegeneratoren wie Elektromagnetische Bewegungswandler (Magnet/Spule), Lichtenergiewandler (Solarzellen), Thermowandler (Peltier-Element mit DC/DC-Wandler), Rotationswandler (Mini-Dynamo) und Vibrationswandler (Piezokeramik) zum Einsatz.

Lineare Bewegungswandler bieten hohe Energieausbeute

Die derzeit attraktivsten Energiewandler sind lineare Bewegungswandler, Solarzellen, Thermowandler und Vibrationswandler.

Der Energiewandler ECO100: Bei der Auf- und Abwärtsbewegung der Metallzunge entsteht ein Strom, dessen Polarität sich bei jedem Richtungswechsel umkehrt
Der Energiewandler ECO100: Bei der Auf- und Abwärtsbewegung der Metallzunge entsteht ein Strom, dessen Polarität sich bei jedem Richtungswechsel umkehrt

Das Paradebeispiel eines linearen Bewegungswandlers ist der Energiewandler ECO 100, der im Schaltermodul PTM 200 zum Einsatz kommt. Während die Energieausbeute bei diesem Energiewandler verhältnismäßig hoch ist, müssen zusätzliche Anforderungen berücksichtigt werden: Um das Modul beispielsweise in europaweit genormte Gehäuse einpassen zu können, darf es die Maße 40 mm × 40 mm × 10 mm nicht überschreiten. Diese Einschränkung wirkte stark auf die Entwicklungsarbeit zum optimalen Feldlinienverlauf des Magnetkreises und des Feldstärkenverlaufes im Eisenkern.

Ausgabepulsspannung von 5 V: Der ECO100 eignet sich z.B. für miniaturisierte Schalter und Sensoren in der Gebäudetechnik und Industrieautomatisierung
Ausgabepulsspannung von 5 V: Der ECO100 eignet sich z.B. für miniaturisierte Schalter und Sensoren in der Gebäudetechnik und Industrieautomatisierung

Die Materialwahl von Magnet und Eisenteilen und die aus der Konstruktion resultierenden Luftspalte und Querschnitte bilden dabei die wichtigsten Rahmenbedingungen. Mit Blick auf den Feldlinienverlauf war in diesem Zusammenhang die größte Herausforderung, auf parasitären Wegen verlaufende Nebenschlüsse durch entsprechendes Design zu minimieren.

Antennenperformance unabhängig von Montageuntergrund

Hinzu kommt, dass die Performance der Antenne unabhängig vom Montageuntergrund und ohne weitere Abstimmung im Fertigungsprozess präsent sein muss, da eine Mehrzahl materialabhängiger Lösungen bei der Nachfrage keine Akzeptanz finden und Zusatzaufwand im Fertigungsprozess hohe Kosten verursachen würde.

Vielseitige Lösungen für energieeffiziente Gebäude: Mit den Funktastern und -sensoren von EnOcean lassen sich unterschiedliche Funklösungen für das Gebäudemanagement realisieren
Vielseitige Lösungen für energieeffiziente Gebäude: Mit den Funktastern und -sensoren von EnOcean lassen sich unterschiedliche Funklösungen für das Gebäudemanagement realisieren

Weiterhin muss durch entsprechende Konstruktion der Wippe eine mit herkömmlichen Schaltern vergleichbare erforderliche Betätigungskraftunter 7 N eingehalten werden, während mindestens 40.000 Schaltspiele ohne Ausfälle nachzuweisen sind. Mechanik und Elektronik müssen dabei in einem Intervall von 85° K zuverlässig funktionieren.

Dünnschicht-Solarzellen sind die bessere Wahl

Für die in der Funktechnik eingesetzten Solarzellen gilt, dass hochoptimierte, einkristalline Zellen zu teuer sind. Solarzellen in vergleichsweise günstiger Dünnschichttechnologie funktionieren zudem bei Beleuchtungsstärken von 50 bis 500 Lux, wie sie in der Regel in Gebäuden vorkommen, besser als einkristalline Zellen. Trotzdem ist der Wirkungsgrad bei den Dünnschicht-Technologie-Solarzellen mit 5% recht niedrig.

Die Diagramme zeigen die Betriebsleistungswerte beim Einsatz der Dünnschicht-Technologie-Solarzellen im EnOcean STM110 und die Betriebsdauer bei Dunkelheit.

EnOcean-Thermowandler arbeiten bereits bei 3-K-Temperaturunterschied

Bei der Nutzung von Temperaturdifferenzen bestand das Problem, dass bei geringen Temperaturdifferenzen nur sehr niedrige Spannungen erreicht werden, während Transformatoren erst bei circa 700 mV aktiv werden. EnOcean hat aus diesem Grund Schaltwandler entwickelt, die bereits ab etwa 10 mV arbeiten und diese ohne nennenswerte Leistungsverluste auf 3 V transformieren. Zum Betrieb eines EnOcean-Thermowandlers reicht ein Temperaturunterschied von 3 K.

Vibrationswandler erzielen hohe Leistung bei kleinen Ausführungen

Bei Vibrationswandlern ist insbesondere das Problem mit den breitbandigen Arbeitsweisen konzeptionell gelöst worden. Laufende Maschinen verursachen Beschleunigungen von etwa 2 g und Frequenzen zwischen 20 und 200 Hz. Sind diese Werte nicht konstant, ist es sehr schwierig, die gewandelte Energie zum Betrieb eines Funkmoduls zu nutzen. Der Vorteil bei Vibrationswandlern ist, dass auch bei relativ kleinen Ausführungen hohe Leistungen gewandelt werden können, sofern die Beschleunigung und somit die Vibrationsfrequenz hoch genug ist.

Optimierte Energiespeicherung und -nutzung erforderlich

Unabhängig von der angewandten Energy-Harvesting-Methode muss die Energieausbeute dazu ausreichen, überschüssige Energie zu speichern, um Zeiträume überbrücken zu können, in der keine Energie aufgenommen wird. Um das Wechselspiel zwischen Energiespeicherung und -nutzung optimal zu organisieren, werden beispielsweise Kondensatoren mit unterschiedlichem Wiederstand verwendet. Die Energiespeichertechnologie beeinflusst die Attraktivität der Module sehr stark.

Die wichtigsten Anforderungen sind

  • Eine hohe Anzahl möglicher Lade- und Entladevorgänge,
  • Ein einfacher Aufladevorgang, der selber nicht viel Strom verbraucht,
  • Hohe Energiedichte, damit die Komponente klein bleibt und
  • Eine niedrige Entladung, um lange Zeiträume ohne Energiezufuhr zu überbrücken.

Ultrakondensatoren haben bei den meisten Applikationen als beste Lösung erwiesen, da eine hohe Anzahl möglicher Lade- und Entladevorgänge in der Regel die wichtigste Anforderung ist. Sie wirkt sich direkt auf die Lebenszeit des Endproduktes aus.

Energieeffizient durch sehr kurze Abwicklung aller Prozesse

Die energieautarken Funktechnik von EnOcean benötigt ein ausgefeiltes Energiemanagement, da die durch Energy Harvesting erzeugte Energie aufgrund der erforderlichen Reichweiten nicht zum Dauerbetrieb von Funksystemen der Gebäudebranche ausreicht. Allerdings müssen Sensorsysteme in der Gebäudebranche relativ geringe Datenmengen verhältnismäßig selten übertragen. Daher setzt die EnOcean-Technologie auf eine sehr kurze Abwicklung aller Prozesse bei entsprechender Abschaltung zeitweise nicht benötigter Baugruppen.

Einige Baugruppen können allerdings nie abgeschaltet werden, z.B. Schwellenwertschalter und Timer. Während Schwellenwertschalter bei Auftreten einer Grenzspannung oder eines Sensorsignals die Elektronik wecken, aktivieren Timer Prozesse periodisch.

Timer und Schwellenwertschalter werden besonders aufwendig optimiert, da sie einen Grossteil des gesamten Energieverbrauches ausmachen. So verbrauchen die von EnOcean entwickelten Timer der Module STM110 oder STM250 nur etwa 20 nA Strom. Diese analog realisierte Technik ermöglicht einen autarken Betrieb der Module von bis zu einer Woche in völliger Dunkelheit.

Da das Funken mehr Energie benötigt, als das Messen durch die Sensorik, werden zudem Messwerte vorverarbeitet, um Energie zu sparen, sofern die Messintervalle kurz genug sind. Gesendet werden idealerweise nur die Zustände oder vergleichbar triviale Informationen.

Funkmodul mit autarker Solarstromversorgung

Das Blockdiagramm des STM110: Das Design umfasst die Modulstromversorgung, Energiemanagement, HF-Transmitter und Prozessor
Das Blockdiagramm des STM110: Das Design umfasst die Modulstromversorgung, Energiemanagement, HF-Transmitter und Prozessor

Das Blockdiagramm veranschaulicht das Schaltungsdesign des STM 110. Die Stromversorgung erfolgt über eine Solarzelle, die speziell für den STM110 entworfen wurde. Die aktive Solarfläche ist in zwei Abschnitte unterteilt, um unabhängige Stromversorgung bereitzustellen.

Das Energiemanagementmodul steuert die V_SC1-Versorgung und den Ladeprozess des Energiespeichers. Es kontrolliert die Stromversorgung für den Wake-Up-Timer, den Mikroprozessor, den HF-Transmitter und die Versorgungsausgänge.

Bild : Externer WAKE Pin-Kreislauf
Bild : Externer WAKE Pin-Kreislauf

Die Energiversorgungsausgänge V_OUT und V_REF (Stabilisierte Referenzspannung) sind nach dem Wake-Up während des aktiven Status des Moduls aktiv, um einen externen Sensorkreislauf zu betreiben. Der Weck-Zeitschaltgeber unterstützt programmierbare Weck-Zeitinterwalle zur Aktivierung des Prozessors und eine externen Weckmöglichkeit.

Eigenschaften des Weck-Zeitschaltgebers:

  • Extrem geringer Stromverbrauch während der Schlafphase
  • Zyklischer Prozessor-Weckruf, der vom Nutzer durch externe Pin Konfiguration konfiguriert werden kann
  • Der Schlafstatus kann durch eine Änderung des Pin-Status der „differential Wake Inputs“ sofort beendet werden. WAKE und WAKE/ müssen immer über einen Switch-over gehandhabt werden.

Datenübertragung startet nach Abfrage aller Messwerte

Der Prozessor kontrolliert alle Funktionen nach der Aktivierung, bzw. nach dem Wecken. Zuerst werden die Werte aller Messungen abgefragt. Danach folgt eine HF-Signalübertragung sobald einer der folgenden Fälle eintritt:

  • Einer der Eingangswerte hat sich seit der letzten Funkübertragung verändert (einer der vier digitalen Werte oder einer der drei analogen Werte hat sich im Abgleich mit definierten Grenzwerten verändert)
  • Ein Präsenzsignal steht an, da die Anzahl aufeinanderfolgender Weckzyklen, die keine Funkübertragung verursachen haben, die durch den Nutzer voreingestellte Anzahl übersteigt.
  • Der Weckruf wurde durch die WAKE-Pins ausgelöst

Nach jeder HF-Übertragung werden alle Messwerte für einen Vergleich beim nächsten Weckzyklus gespeichert. Der Funksender wird durch den Prozessor in Gang gesetzt, sobald die Sendekonditionen es erlauben.

Die Realisierung eines batterielosen Funkmoduls setzt innovative, aufeinander abgestimmte Technologien voraus. EnOcean ist es mit ihrer vielfach patentierten batterielosen Funktechnik gelungen, drei Schlüsseltechnologien zu vereinen: das Gewinnen von Energie aus der Umgebung (Energy Harvesting), ein ausgefeiltes Energiemanagement und intelligente Software-Stacks für die benutzerfreundliche Integration in Kundenapplikationen.

 

Der EnOcean-Funkstandard

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