Mess- und Prüftechnik / Feldmesstechnik In-situ-Validierung von Energy-Harvesting

Die spezialisierte Messlösung RocketLogger zur in-situ-Validierung von Harvesting-Komponenten.
Die spezialisierte Messlösung RocketLogger zur in-situ-Validierung von Harvesting-Komponenten.

Mit dem Aufkommen von Wearables und des Internet-der-Dinge gewinnen Energy-Harvesting-Methoden zunehmend Relevanz. Das RocketLogger-Projekt löst die rasch veränderlichen Harvesting-Szenarien zeitlich auf und charakterisiert deren Leckströme und Energieeffizienz in-situ.

Mit dem Fortschritt der Low-Power-Embedded-Technologien besserten sich die Batterielaufzeiten erheblich. Allerdings fordert der Einsatz in schwer zugänglichen Umgebungen und die steigende Geräteanzahl im sichtbar werdenden Internet-der-Dinge, nahe-zu unbeschränkte Lebensspannen: Eine Energieversorgung ausschließlich über Batterie scheidet damit aus.

Die Forschungsaktivität hinsichtlich beider Schlüsselkonzepte Energy-Harvesting und ULP-Design, stieg daher innerhalb der letzten Jahre rapide.

Leider entsteht mit Energy-Harvesting eine zusätzliche Komplexitätsebene im Entwurfsprozess, applikationsspezifische Umweltbedingungen nehmen direkten Einfluss auf Parameter wie Energiegewinnung oder Leistungseffizienz. Harvesting-basierte Systeme müssen mit einem weiten Dynamikbereich der Versorgungsströme, von nW hin zu mW, umgehen können und gleichzeitig eine effiziente Energienutzung garantieren.

Nur anwendungsspezifische Lösungen erfüllen diese Performanzkriterien unter Umgebungseinflüssen. Nach unseren Erfahrungswerten in den Bereichen Remote Sensing [1], Harvesting-Design [2], Dimensionierung [3] und Management [4], sowie Wearables [5], haben diese Systeme ein gängiges Entwurfsproblem gemein: Unabhängig von der Entwurfsstrategie mangelt es an präziser Charakterisierung des umgebungsabhängigen Energiebedarfs, bzw. der Charakterisierung und Optimierung der Aktiv- und Ruheströme.

In den Systementwurf gehen typischerweise geschätzte Umgebungsparameter wie Lichtstärke, Temperaturgradient, Vibrationsenergie oder Druckänderungen ein. An Prototypen werden Metriken wie Harvesting-Effizienz, Versorgungsleckströme, oder Betriebs- wie Ruheströme der Einzelkomponenten betrachtet. Diese Messungen adressieren stark variierende Ströme: Vom nA- bis μA-Bereich im Ruhemodus, hin zu mehreren 100 mA im Betrieb. Zur Charakterisierung solcher Anwendungen in der Produktionsumgebung ist das Messgerät in eben diese einzubetten.

Während Leistungs- und Umweltparameter wohlbekannte Messaufgaben stellen, sind tragbare Geräte zur präzisen wie verlässlichen Charakterisierung Harvesting-basierter Systeme ein Novum. Low-Power-Systeme werden für gewöhnlich mit taktzyklengenauer Echt-Zeit-Messung im Labor validiert, z.B. [6]. Zum Test der eingebetteten Systeme einschließlich Harvesting unter Umgebungseinflüsse sind neue Werkzeuge notwendig.

Der Entwurf solcher Geräte, die stark variierende Leistungen und Umgebungsbedingungen über lange Perioden aufzeichnen, ist eine anspruchsvolle Aufgabe: Die Beeinflussung der Last durch das Messgerät soll möglichst gering ausfallen; das Gerät muss unabhängig von der Last betrieben werden, weiterhin sind großer Datenspeicher und/oder Konnektivität nötig. Sonst wird der Speicher knapp, das Gerät nicht unter kritischer Stromversorgung funktionieren oder die Harvesting- wie Konversionseffizienz signifikant beeinflusst. Damit muss das Messgerät selbst portabel und wiederaufladbar sein, Leckströme wie Spannungslasten vermeiden. Die Abtastraten müssen zur Darstellung arbeitszyklischer Systeme ausreichen. Weiterhin ist zur Vermeidung transienter Messfehler der Messbereich hinreichend schnell umzuschalten.

Die gewonnenen Daten nützen nicht nur zur Validierung, sondern auch zur iterativen Designverbesserung.

Der RocketLogger fokussiert auf solche Langzeit-in-situ-Messaufgaben. Simultan zeichnet er vier Spannungs- und zwei Stromkanäle hinreichend präzise auf. Er schließt die Lücke zwischen hoch-performanten Laborgeräten und hoch-mobilen Leistungs-Messschaltungen in der Harvesting-System-Entwicklung.