Recoltarea energiei aduce energie gratuită abundentă sistemelor auto
În domeniul auto, recoltarea de energie cinetică oferă o modalitate universală de recuperare a energiei în compartimentele unui motor, datorită faptului că energia vibrațiilor este întotdeauna prezentă în amplitudini variate. Utilizând diferite principii de conversie și a unui sistem adecvat de microelectronică, această energie poate fi transformată eficient în energie electrică. O altă posibilitate este colectarea de energie generată de amortizoare și de a o reutiliza pentru a reîncărca o baterie.
Schema bloc a unui traductor electromagnetic de vibrații. Mișcarea magnetului datorită vibrațiilor în amortizor induce o tensiune electromotoare în bobină. Astfel de traductoare sunt capabile să convertească energia vibrațiilor în putere electrică între 40… 100 mW.
Performanța recoltatoarelor de energie depinde în mare măsură de capabilitatea lor de a se adapta la o sursă de energie din mediu.
Traductoare de diferite tipuri efectuează colectarea de energie și o transformă în electricitate. Traductoarele electromagnetice de vibrații se bazează pe legea lui Faraday − legea inducției electromagnetice − ce explică apariția unei tensiuni electromotoare induse de un flux magnetic variabil în timp.
Puterea maximă furnizată de dispozitivele de recoltare a energiei depinde de frecvența și accelerația sistemului vibrator, precum și de dimensiunea dispozitivului.
Traductorul piezoelectric generează energie electrică la solicitări mecanice în anumite materiale și obține o colectare cu densitate de putere mai mare, grație implementării sistemelor MEMS.
Traductoarele piezoelectrice sunt utilizate cel mai des, datorită dinamicii ridicate, dimensiunilor mici și imunității la zgomot electric.
Detalii: High-Performance Piezoelectric Energy Harvesters and Their Applications – ScienceDirect
În sectorul auto, recoltarea energiei are 2 aplicații importante. (1) Prima este alimentarea de rețelele mici de senzori fără fir din autovehicul, pentru parametri de siguranță rutieră.
(2) A doua este legată de încărcarea bateriilor în sistemele distribuite de stocare a energiei pentru vehiculele electrice și hibride.
Procedee de recoltare și regenerare a energiei adoptate de industria auto
Frânarea regenerativă, recuperarea energiei cinetice și energiei din vibrații precum și energia triboelectrică continuă să avanseze, producătorii de autovehicule trecându-le la cerințe în proiectarea generală.
Frânarea regenerativă ia energia cinetică care propulsează o mașină înainte, cea mai mare parte fiind de obicei pierdută sub formă de căldură și reîncarcă a 2-a baterie a mașinii. Este utilă atunci când există o mulțime de opriri, mai ales în oraș.
Notă. Una dintre cele mai implementate tehnologii de recoltare a energiei este frânarea regenerativă. La sfârșitul anului 2017, Magneti Morelli (Italia), a prezentat la Consumer Electronics Show − un generator de pornire cu curea MHEV 48-V (BSG) format dintr-un motor electric cu electronică integrată care înlocuiește un alternator auto standard. Recuperează energia de la frânare pentru a reporni motorul cu combustie internă și diverse sisteme electrice ale mașinii.
Energia Vibrațiilor se recoltează prin conversia energiei cinetice din amortizoarele auto. Un astfel de proces transformă vibrațiile verticale ale amortizorului în mișcare de rotație care acționează un generator. Structura permite generatorului să se rotească la o viteză relativ constantă în timpul vibrațiilor neregulate, îmbunătățind fiabilitatea sistemului prin reducerea forțelor de impact din angrenajele de transmisie.
Recoltarea energiei folosind Efectul piezoelectric există de mult timp. Sistemul piezoelectric este format din stive piezoelectrice multistrat integrate cu electronice de putere. S-au atins densități de putere electrică de circa 300 W/mp la o viteză a vehiculului de 100 km/h.
Energia Triboelectrică apare prin efectul triboelectric care produce electricitate de contact, prin frecare. Anumite materiale devin încărcate electric după ce intră în contact de frecare cu un material diferit, cum ar fi o anvelopă de cauciuc cu carosabilul. Exemplul clasic este un pieptene de plastic trecut prin păr ce poate să acumuleze triboelectricitate.
Se răspândește folosirea efectului triboelectric, după cum reiese de la producătorii de anvelope de renume, precum Goodyear. Aceasta este utilizată în sistemele de monitorizare a presiunii în anvelope auto (TPMS), fiind montată în anvelopă în spatele tijei supapei de aer.
Detalii: Energy Harvesting and Regeneration Embraced by Auto Industry | Electronic Design
https://www.enginebasics.com/Engine%20Basics%20Root%20Folder/TPMS_Fix.html
TDK: Utilizarea recoltării de energie pentru a dezvolta un senzor auto-alimentat
Datele și puterea sunt acum mai strâns legate în automobil, datorită unei abordări inovatoare a recoltării energiei și a detectării bazate pe operații de prelucrare a datelor făcute la margine, chiar în obiecte (edge-based sensing).
Noua tehnologie de recoltare a energiei dezvoltată de TDK deschide următoarea generație de senzori inteligenți, fără baterii.
Tehnologiile de recoltare a energiei folosesc legea de conservare a energiei
TDK a creat un senzor care funcționează fără a fi nevoie de o sursă de alimentare separată, fiind capabil să genereze un flux constant de date.
Aplicațiile emergente, cum ar fi vehiculele autonome, împreună cu IoT-ul consacrat, conduc la această dezvoltare. Expresia „Big Data” se referă la conceptul că aproape orice poate fi monitorizat și utilizat pentru a genera informații. Analiza transformă aceste date în informații, ducând, apoi, la acțiune.
În cazul vehiculelor autonome, tipul de detectare utilizat la navigarea unui vehicul este bazat pe percepție, prin tehnologii precum LiDAR și radar care utilizează un mediu, cum ar fi undele de lumină sau undele radio, pentru a crea un câmp vizual. Reflexiile sunt interpretate pentru a extrage date brute, care sunt apoi analizate.
Detectarea obține date false (pozitive și negative) semnificative, creând astfel un rezultat potențial nesigur în condiții nefavorabile, deși practic toți senzorii funcționează percepând împrejurimile. Majoritatea senzorilor vor trebui să trimită datele brute către un procesor gazdă local pentru analiză – calcul la margine. Astfel se creează un nivel local de abstractizare, deoarece datele brute vor fi analizate și codificate pe loc, înainte de a fi trimise la un nivel superior.
Tehnologia nouă folosește ideea că datele și puterea coexistă. Exemple de moduri inovatoare de a furniza energie și date împreună, sunt RFID, NFC, PoE (Power over Ethernet) și comunicații pe firele de alimentare. Cercetările dezvoltă modalitățile de recoltare a energiei din surse aflate permanent la îndemână: lumină, diferențe de temperatură și mișcare. O nouă tehnologie dezvoltată de TDK duce acest concept cu un pas mai departe, combinând recoltarea energiei cu detectarea pentru a elimina diferențierea dintre putere și date.
Recoltarea energiei în aplicații de detectare
Principiile fundamentale sunt bine stabilite, iar noile soluții de recoltare a energiei caută să genereze suficientă energie pentru a opera prin noduri IoT inteligente pentru perioade scurte de timp.
Tehnologiile existente oferă accesul la o putere instabilă și în mare parte imprevizibilă, ce trebuie în primul rând recoltată, reglementată și stocată. În acest moment, nu interesează cum arată evoluția în timp a sursei de putere, care a fost forma sa originală. Cerința de bază este de a genera o putere simplă și utilă.
Până acum, la parcurgerea procesului de recoltare, orice informație care ar fi putut fi implicită în forma de undă ce dă putere se pierde și ea, deoarece nu prezintă niciun interes.
Dar ce se întâmplă dacă aceste informații, care nu au fost folosite, sunt transformate în date valoroase? Acesta este modul în care e utilizată noua tehnologie de recoltare a energiei dezvoltată de TDK. Această nouă sursă de energie ajută la consolidarea următoarei generații de senzori inteligenți, fără baterii. Combinația senzor-energie e baza unei tehnologii care oferă informații cheie fără nicio formă de putere suplimentară.
Tehnologia TDK folosește efectul piezoelectric pentru a genera energie scalabilă, dar inovația reală vine din utilizarea energiei precum și a formei puterii generate. Forma de undă oscilantă, care în aplicația demonstrativă poate atinge 70V pk-pk, poartă cu sine o semnătură a tensiunilor expuse elementului piezo. Analizând această semnătură, elementul piezo este, de asemenea, utilizat ca senzor de mișcare de înaltă rezoluție.
TDK Modulul InWheelSense EH montat în anvelopă
TDK InWheelSense™ EH module
Modulul de recoltare a energiei bazat pe piezo InWheelSense. Asigură putere, detecție și conectivitate și este creat pentru a se monta în anvelopele auto în aplicațiile ADAS. Modulul cu funcție dublă transformă forța de rotație a anvelopelor în putere piezoelectrică și generează semnale de detectare, colectarea și transmiterea datelor de pe roată, fără baterie. Modulul poate detecta condițiile suprafeței drumului, alinierea roților, presiunea anvelopelor și alte condiții în timp real și se poate conecta la infrastructura rutieră pentru aplicații inteligente de mobilitate.
Modulul EH poate detecta diferite condiții de conducere folosind modificări de putere ca rezultat al vitezei, rotirii și altor modificări ale condițiilor de funcționare, prin analiza formelor de undă generate în mod continuu. Deoarece se produce o formă de undă pentru fiecare rotație a roții, modulul poate detecta atât viteza în timpul condusului, cât și condițiile de la suprafața drumului pe baza formei de undă la ieșire.
TDK Platforma InWheelSense™ instalată cu 5 module EH pe o roată de 18”.
Modulul de recoltare a energiei (EH) InWheelSense folosește elemente piezoelectrice pentru a genera energie electrică din mișcare sau forță mecanică, iar prin plasarea dispozitivului la limita dintre anvelopă și roată, modulul generează electricitate folosind forța primită de pe suprafața drumului când anvelopa se rotește. La o viteză de 105 km/h obține o putere medie continuă de 1 mW. Gama de temperatură de operare -40°C …+105°C. Modulul EH poate fi utilizat pe toate dimensiunile roților.
Module EH (Energy Harvesting)
TDK a dezvoltat o platformă demonstrativă, numită InWheelSense, care încorporează mai multe dispozitive cu senzori pentru recoltarea de energie, denumite module EH (Energy Harvesting). Aceste module sunt cuplate la un hub de procesare ce include circuite de gestionare a energiei, fiind el însuși alimentat de module. Demonstratorul este proiectat pentru a fi montat pe o roată, cu butucul poziționat în centru și modulele EH poziționate în jurul jantei roții.
Fiecare modul EH poate genera 1 mW de curent continuu sau 90 mW putere de vârf la fiecare rotație, la o viteză de circa 105 km/h. Spre deosebire de alte forme de recoltare a energiei, ieșirea modulului EH este, de asemenea, utilizată pentru a furniza date despre viteza de rotire a roții; direcția de rotație, alunecarea, dezechilibrul roții, cuplul și analiza de consum a combustibilului; direcția vehiculului; și chiar condiții de drum. Astfel de date pot fi stocate local pe IWCM (InWheelSense Control Module) sau difuzate aproape în timp real folosind BLE (Bluetooth Low Energy) sau radio LoRa (Long-Range and low-power).
Notă. Există 2 rezultate pozitive din dezvoltarea procesării la margine: (1) se reduce cantitatea de date care trebuie să curgă între nodurile rețelei și nucleul (sau norul) rețelei și, ca rezultat direct, (2) se reduce timpul dintre detectarea de date brute și obținerea unor informații valoroase. Ambele caracteristici vor deveni mai critice pe măsură ce ne apropiem de conceptul de informații omniprezente, cum ar fi vehiculele complet autonome.
Analiza formei de undă a modulului TDK InWheelSense EH (Imagine: TDK)
Platforma InWheelSense oferă colectarea de date în timp real de la senzori de roți suplimentari (inclusiv accelerometre, presiune barometrică și temperatură) la unitatea de calcul integrată. Această platformă a modulului de control include gestionarea energiei, capacitatea de calcul digital și transmisia de date cu consum redus de putere utilizând BLE. Datele pot fi stocate și/sau procesate printr-un motor de inferență din modulul de control, bazat pe un procesor de aplicații de margine. Toată puterea necesară este furnizată de generatorul de recoltare a energiei.
Un kit de evaluare și probe sunt disponibile pentru evaluări simple ale modulului de recoltare a energiei, care poate fi atașat roților existente. Kitul permite colectarea fără fir a datelor transmise de pe dispozitiv și generarea de energie fără echipamente suplimentare. Producția în faza inițială este așteptată în 2023, urmată de producția de volum în 2025.
O altă tendință importantă și conexă este modul în care inteligența artificială (AI) se apropie de marginea rețelei.
Pentru ca inteligența artificială (AI) să fie cu adevărat utilă, este nevoie de o furnizare constantă de date de înaltă calitate, cu viteză ridicată de trimitere a datelor la nivel superior. Astăzi, majoritatea senzorilor nu sunt proiectați pentru a asigura aceste cerințe, care se datorează parțial necesarului de energie implicată.
Folosind aceste tendințe și adăugând propria sa tehnologie scalabilă, unică, de recoltare a energiei, TDK a reușit să creeze un senzor care funcționează fără a fi nevoie de o sursă de alimentare separată, dar poate genera un flux constant de date.
Majoritatea senzorilor generează acum date digitalizate sau date care urmează să fie digitalizate pentru a putea fi procesate. Noua tehnologie elimină părți mari din datele care sunt considerate irelevante. Acest lucru se poate datora faptului că sistemul caută vârfuri sau variații dincolo de limitele predefinite.
Senzorul piezoelectric din modulul EH este diferit în acest sens. În loc să cuantifice datele de la sursă (în senzor) și să trimită doar instantanee cu ceea ce este de fapt detectat, modulul EH trimite o formă de undă analogică constantă la hub.
Toate aceste date ale senzorului pot fi transmise fără fir de IWCM către cloud, unde pot fi procesate pentru a detecta condițiile rutiere, comportamentul anvelopelor și date meteorologice. Aceste informații pot fi apoi utilizate pentru a oferi elemente de siguranță și pentru a identifica modele în modul în care sunt utilizate drumurile.
În parte, acest lucru se datorează faptului că datele senzorilor sunt, simultan, sursa de alimentare pentru electronica hub-ului și, prin urmare, fiecare parte a acestuia este utilă. Acest flux de date nefiltrate este un semnal analogic constant, care conține cantități uriașe de informații utile. Cheia este procesarea într-un mod care să valorifice o astfel de valoare. Poate fi realizată folosind de la un microcontroler simplu la un procesor cu mai multe nuclee ce lucrează simultan în paralel.
Notă. După cum s-a menționat mai devreme, dezvoltatorii portează tehnologia AI către microcontrolere de putere redusă pentru a implementa inferența de margine. Un model de inferență este dezvoltat folosind tehnologia de formare AI bazată pe cantități uriașe de date. Modelul este apoi redus și optimizat pentru a rula pe un microcontroler încorporat mult mai mic și mai simplu. Această tehnică poate fi utilizată pentru a rula ceva la fel de complex ca o rețea neuronală convoluțională (CNN) pe un microcontroler de putere foarte mică într-o aplicație alimentată de module EH.
Un flux constant de date
Forma de undă generată de modulele EH se schimbă odată cu rotirea roții. Se creează un semnal care reflectă cu exactitate experiența senzorului. IWCM dezvoltat de TDK, ca parte a demonstratorului de tehnologie, include o conexiune BLE, permițându-i să trimită date către un smartphone sau alt gateway. Modulele EH, dezvoltate ca parte a demonstratorului, includ senzori suplimentari, inclusiv accelerometru, giroscop, senzor de presiune barometrică, întrerupător Hall, microfon și senzor de temperatură.
Concluzie
Ideea energiei libere a fost atractivă pentru ingineri din totdeauna. Conceptul de date fără alimentare cu energie externă (concept of energy-free data) este mult mai recent. Tehnologiile de recoltare a energiei merg spre maximizarea legii conservării energiei, dar încă nu s-a valorificat întregul potențial. Simplificarea interfeței dintre putere și date oferă un pas important în această direcție.
Tehnologia dezvoltată de TDK duce la recoltarea energiei la nivelul următor.
Energia, care transportă date utile, demonstrează modul în care gândirea dintr-o perspectivă diferită poate deschide noi oportunități.
Amănunte: https://www.electronicdesign.com/power-management/whitepaper/21161936/tdk-using-energy-harvesting-to-develop-a-selfpowered-sensor
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură aprovizionarea cu produse Sensors & Sensor Systems | TDK și de la alți producători.
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro