Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ist ein energieautarkes drahtloses Sensormikrosystem entwickelt worden. Die Neuheit dieses drahtlosen Systems besteht darin, dass es als energieautarkes Sensorsystem speziell für den Einsatz in Fahrzeugen konzipiert worden ist. Der neu entwickelte energieautarke Drucksensor überträgt den Förderdruck im Kraftstoffsystem von Fahrzeugen drahtlos im 2,4-GHz- Frequenzband an einen Funk-Empfänger. Das System ist mit einem proprietären Funktransceivers, der im 2,4-GHz-Frequenzband arbeitet, realisiert worden. Die Gesamtenergieaufnahme des Systems konnte durch konsequente Energiesparmaßnahmen wie z. B. die Entwicklung spezieller Power- Management-Hardware, die Weiterentwicklung der Steuerungssoftware sowie durch den Einsatz eines proprietären Netzwerkprotokolls bzw. Netzwerkstacks auf ein Minimum reduziert werden. Das energieautarke Sensorsystem wird durch einen kinematischen Wandler mit Energie versorgt, wobei ein Messwert übertragen wird, sobald ausreichend Energie im System vorhanden ist. Somit variiert die Systemdatenrate abhängig vom Systemenergieniveau. Da diese Art der Energieversorgung keine konstante Leistung an die Schaltung abgibt, ist eine spezielle Anpassschaltung, bzw. eine Spannungsversorgungsschaltung gefunden worden, die es erlaubt, den kinematischen Energiewandler an die Sensorschaltung anzupassen. Die grundlegende Idee ist, einen Energiespeicher so lange mit Energie zu versorgen, bis ein bestimmter Schwellenwert erreicht wird. Dieser Schwellenwert wurde so festgelegt, dass für die Druck- und Temperaturmessung ausreichend Energie im Speicher vorhanden ist. Nach erfolgreicher Übertragung geht die Schaltung wieder in den Zustand des Energiesammelns über. Im Vorhaben hat sich gezeigt, das sich die Leistungsdichte des Wandlers durch eine Optimierung der Magnet/Spule-Konfiguration im Mittel (realer Generatorbetrieb) deutlich über 1,5 mW/cm3 steigern ließ. Spitzenwerte von 5,5mW/cm3 im Resonanzbetrieb konnten erzielt werden. Gleichzeitig ist es gelungen, den Energiebedarf der Elektronik und des HF Transivers deutlich zu senken, so dass mit dem diesem Wandler und der Elektronik ein Duty Cycle von ca. 1 Hz erreicht werden konnte. Dies ist für viele Anwendungen des Zustandsmonitorings im Kfz ausreichend. Um einen möglichst kompakten Systemaufbau bestehend aus Drucksensor, Energiewandler mit Energiespeicher, Controller und HF Modul realisieren zu können, wurde eine Aufbauvariante in Form eines PCBlMID Trägerrahmens untersucht und dargestellt. Das komplette System ist so ausgelegt, dass es auch bei sehr rauen Umgebungsbedingungen (Vibration, Schock und Temperaturen von -40 °C bis 125 °C) eingesetzt werden kann. Die theoretische Laufzeit, also die Nutzungsdauer des autarken Sensorsystems, ist nur von der Lebenszeit der elektronischen und mechanischen Komponenten abhängig. Durch die Einfachheit der fluidischen Steckverbindung (Integration in eine SAE- Schnellkupplung) kann das System ohne hohen Aufwand im Fahrzeug montiert werden. Die Wahl des Einbauortes muss bei Verwendung eines kinematischen Wandlers lediglich eine ausreichende Kopplung zur Vibrationsquelle (Motor) gewährleisten. Derzeit ist das System als Demonstrator im Evaluierungsstadium. Das System kann zukünftig weiter energieoptimiert werden, wenn z.B. die Funktionen zusammen mit dem Funkmodul in einem ASIC zusammengefasst sind. Ein weiteres Ziel des Förderprojekts war die Entwicklung eines Montagesensors zur Montageüberwachung von fluidischen Schnellkupplungen (QC·s). Im Rahmen der Arbeiten wurde das Prinzip des auf einem LC -Schwingkreis basierenden, passiven und drahtlos auslesbaren Montagesensors anhand verschiedener Aufbauten verifiziert. Neben den Untersuchungen zu MID basierten Montagesensoren wurde weitere Aufbautechnologien unter Verwendung einer variablen Induktivität gentzt und das Sensordesign erfolgreich überführt. Der Gegenstand weiterer Untersuchungen bestand darin, das Sensorprinzip in weiteren Aufbautechnologien noch kostengünstiger umzusetzen. Dies ist als ein gewickeltes Spulen und Festkapazitätssystem und in Folientechnik realisiert worden. Die Montagesensoren detektiert die zwei Zustände offen bzw geschlossen einer fluidischen Schnellkupplung über die Annäherung (Verstimmung) eines Dielektrikums oder der Änderung der Induktivität einer Spule. Die erste Generation Montagesensoren wurde in LPKF-LDS-Technik aufgebaut und später in eine modifizierte Aufbauvariante als Spule Festkapazität überführt.

    The newly developed energy autonomous pressure sensor should send wirelessly the fluid pressure of the supply system in the 2.4 GHz-frequency band to a receiver. The overall energy consumption of system has been reduced by usage of latest low power hardware, improvements of the control system and the application of an proprietary network stack. The system will be provided with energy by converter which will broadcast a measured value as soon as there is enough energy in the system. This kind of supply of energy doesnt provide a constant power output so there found a special voltage supply circuit which allows adjusting the cinematic energy converter to the circuit. The power density of the converter could be increased clearly. Simultaneously it was possible to reduce signiflcantly the energy requirements of the electronic components and of the HF- transceiver so that with the converter and the electronic components a duty cycle of ca 1Hz could be reached. That is sufficient for the most condition monitoring applications inside an automotive environment. The complete system was constructed to be used in harsh environmental conditions (like vibrations, shocks and temperatures between -40 °C up to 120 °C). In addition a new wireless assembly sensor was developed. This kind of sensor is monitoring the quality of the connection of fluid quick couplings. Based on a simple LC circuit a sensing system have been evaluated and verified. Beside MID based capacitive sensor solutions an inductive sensor principle has been developed as well.


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    Title :

    Intelligente energieautarke Kupplungen für fluidische Systeme in Fahrzeugen (IEKU). Abschlussbericht. Projektlaufzeit: 01.07.2007 - 30.06.2010


    Contributors:


    Publication date :

    2010


    Size :

    277 Seiten, 275 Bilder, 47 Tabellen, 9 Quellen


    Type of media :

    Report


    Type of material :

    Print


    Language :

    German