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Institut für Nachrichtentechnik Christian Lange Betreuer: Martin Stemick Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Nachrichtentechnik E-Mail:

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1 Institut für Nachrichtentechnik Christian Lange Betreuer: Martin Stemick Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Nachrichtentechnik Junior-Treffen, Entwicklung einer solarbasierten Energieversorgung für IRIS-Sensorknoten

2 Institut für Nachrichtentechnik 2 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 3 Inhalt Anforderungen an die Energieversorgung Das entwickelte Konzept Stand der Arbeit Nächste Schritte

4 Institut für Nachrichtentechnik 4 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 5 Konzept Solarzelle Energiespeiche r Ladeschaltung / Laderegler Anforderungen der Sensorknoten im Backbonenetz

6 Institut für Nachrichtentechnik 6 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

7 Institut für Nachrichtentechnik 7 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale IRIS Knoten I/O ADC Versorgung Pufferkondensator

8 Institut für Nachrichtentechnik 8 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale IRIS Knoten I/O ADC Versorgung Pufferkondensator

9 Institut für Nachrichtentechnik 9 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

10 Institut für Nachrichtentechnik 10 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

11 Institut für Nachrichtentechnik 11 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

12 Institut für Nachrichtentechnik 12 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Temperatur- kompensation Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Einstellen der Ladespannung IRIS Knoten I/O ADC Versorgung Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA

13 Institut für Nachrichtentechnik 13 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Temperatur- kompensation Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Kontroll- schaltung Bypass Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Einstellen der Ladespannung Kontrolsig. Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

14 Institut für Nachrichtentechnik 14 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Temperatur- kompensation Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Kontroll- schaltung Bypass Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Einstellen der Ladespannung Kontrolsig. Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

15 Institut für Nachrichtentechnik 15 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Temperatur- kompensation Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Kontroll- schaltung Bypass Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Ein/Aus Einstellen der Ladespannung Kontrolsig. Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Notfall Batterie z.B. 2 X 1,5 V Trockenbatterie NiMh, Li IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

16 Institut für Nachrichtentechnik 16 Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Temperatur- kompensation Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Kontroll- schaltung Bypass Notfall Batterie z.B. 2 X 1,5 V Trockenbatterie NiMh, Li Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Ein/Aus Einstellen der Ladespannung Kontrolsig. Temperatursensor Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 200 mA Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA IRIS Knoten I/O ADC Versorgung

17 Institut für Nachrichtentechnik 17 IRIS Knoten I/O ADC Versorgung Temperatursensor Abwärts-Wandler In: 3,8 V – 5,1 V Out: 2,0 V – 3,3 V I out : 30 mA Notfall Batterie z.B. 2 X 1,5 V Trockenbatterie NiMh, Li Konzept Solarpanel U nenn : 3,9V U leerlauf : 4,9 V Pufferkondensator Temperatur- kompensation Blei-Gel-Akku 2 x 2,0 V Ubatt: 3,8 V – 5,1 V Kapazität: 2,5 Ah Energiepfade Steuerpfade und Kontrollsignale Einstellen der Ladespannung Kontrolsig. Aufwärts-Wandler In: 3,6 V – 4,9 V Out: 4,2 V- 5,1 V I max : 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 Knoten I²C ADC Versorgung Zustände Spannungen Ein/Aus

18 Institut für Nachrichtentechnik 18 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 19 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 20 Stand der Arbeit

21 Institut für Nachrichtentechnik 21 Nächste Schritte Inbetriebnahme abschliessen Labortests Dauertests mit Datenübertragung und Speicherung in MySQL Bewerten der Testergebnisse

22 Institut für Nachrichtentechnik 22 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!


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