Entwicklung einer Simulationsumgebung für die Auslegung piezoelektrischer Energy Harvester

Die Uberwachung von Maschinen und Anlagen zur Gewahrleistung und Verbesserung der Sicherheit und Effizienz ist aus okonomischer Sicht und fur deren wissensbasierte Weiterentwicklung essenziell. Energieautarke, drahtlos kommunizierende Sensoren sind fur die Messdatenerfassung unverzichtbar, wenn Strukturen ohne elektrische Energieversorgung uberwacht werden sollen. Die notwendige Energie wird dabei beispielsweise aus mechanischen Schwingungen der Systemumgebung gewonnen. Diese Form der Energiegewinnung wird als Energy Harvesting bezeichnet. Die Messdatenverarbeitung und drahtlose Kommunikation der Sensoren wird ublicherweise durch zugekaufte eingebettete Systeme realisiert. Aufgrund der Komplexitat der autarken Sensoren ist deren Auslegung eine ingenieurtechnische Herausforderung. Die vorliegende Arbeit stellt eine methodische Auslegungsstrategie fur energieautarke Sensoren vor. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung einer Simulationsumgebung fur piezoelektrische Vibrations-Energy-Harvesting-Systeme. Aus den kommerziell verfugbaren Plattformen muss eine Sensorarchitektur, anhand der Charakteristik der Energiequelle und unter Beachtung der komplexen Wechselwirkungen des autarken Sensors, ausgewahlt und konfiguriert werden. Dafur wird hier ein Hardware-in-the-Loop-Verfahren angewendet, welches sich bei der Auslegung von Steuergeraten im Automobilbereich bewahrt hat. Es wird gezeigt wie die Peripherie der Soft- und Hardware-Plattform durch die Echtzeitsimulation eines Modells des Energy Harvesters bereitgestellt wird. So kann die Interaktion der elektronischen Komponenten des autarken Sensors mit dem Generator gepruft werden bevor ein Prototyp des Energy Harvesters existiert. Fur die Erstellung des Echtzeitmodells wird ein Vorgehen erarbeitet, bei dem dieses mittels Modellreduktion aus Finite-Elemente-Modellen mit piezoelektrischen Wandlern extrahiert wird. Hierdurch hebt sich die vorliegende Arbeit vom Stand der Technik ab. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Erkenntnisse, welche zur Verbesserung des Finite-Elemente-Modells fuhren, kontinuierlich in das Echtzeitmodell ubernommen werden konnen. Die praktische Anwendbarkeit der erarbeiteten Verfahren und Methoden wird am Beispiel der Entwicklung eines autarken Temperatursensors fur Guterwagen gezeigt. Nach der experimentellen Bestimmung der Betriebslasten wird eine Machbarkeitsanalyse durchgefuhrt. Danach folgt die Detailauslegung des Energy Harvesters mittels Finite-Elemente-Simulation, die Erstellung des Echtzeitmodells und die Validierung der Ergebnisse im Labor. Die Arbeit wird mit einem Feldversuch des autarken Sensors abgeschlossen.