Ontwerp van een draadloos energieoverdracht en powermanagement systeem om IoT nodes te voorzien van energie

Jarne Van Mulders
In deze scriptie is een mogelijk oplossing uitgewerkt om batterij gevoede sensoren (IoT sensoren) te herladen op plaatsen waar energie harvesting onmogelijk is. Een Butler Robot werd gebouwd. De nadruk lag voornamelijk op het draadloos opladen van de batterijen.

Ontwerp van een draadloos energieoverdracht systeem om batterij gevoegde sensoren te voorzien van energie

Inleiding

De masterproef waarover hier wordt gesproken is in het kader van het behalen van een Industrieel Ingenieur Elektonica. Mijn naam is Jarne Van Mulders en heb deze opleiding en ook masterproef met veel enthousiasme uitgewerkt. 

De dag van vandaag worden steeds meer IoT nodes ontworpen en geplaatst op verschillende plaatsen in Vlaanderen. IoT nodes zijn in de meeste gevallen batterij gevoede sensoren. Voorbeelden zijn slimme watermeters, indoor locatie bepaling in de industrie, slimme verlichting, waterlek detectie, enz. Na verloop van tijd dient de batterij van een node te worden herladen. Wanneer er meer data wordt uitgewisseld, resulteert dit in meer energieverbruik, waardoor de batterij sneller leegloopt. De nood aan een oplossing om de batterij te herladen wordt zo groter. 

Er zijn verschillende oplossing mogelijk. Een persoon zou de batterijen kunnen vervangen of opladen. Anderzijds kan men aan energie harvesting doen. Dit is bijvoorbeeld bewegingsenergie of zonne-energie omzetten in elektrische energie. Toch is het niet mogelijk om op alle plaatsen energie te oogsten uit de omgeving. Bijvoorbeeld op plaatsen waar het altijd donker en windstil is. 

Oplossing

Om deze problemen op te lossen werd de butler robot geïntroduceerd. Het doel van deze robot is zich te verplaatsten naar batterij gevoede sensoren (IoT sensoren) om deze batterijen te herladen. Dit moest op een draadloze manier gebeuren. De Butler Robot zelf heeft ook batterijen, die daarnaast ook dienden te worden opgeladen op een draadloze manier. De nadruk van de masterproef lag voornamelijk op het hardware ontwerp. Dit betekent het bouwen van de Robot, het bouwen van een laadstation en het bouwen van een mogelijke batterij gevoede sensor.

Het hoofddoel was om op een zo efficiënt mogelijke manier de batterijen van de robot op te laden. Met andere woorden zoveel mogelijk energie, geleverd door het laadstation, in de batterijen te stockeren. Draadloze energieoverdracht wordt de dag van vandaag steeds meer geïmplementeerd in allerlei toestellen. Zo zijn er sedert een aantal jaar smartphones op de markt gebracht waarmee de batterij draadloos kan worden herladen. Het probleem is dat dit steeds gepaard gaat met energieverlies. In deze masterproef werd onderzocht welke ingrepen men kan nemen om de efficiëntie te verhogen. Dit gaat soms gepaard met extra verliezen maar zorgt er op termijn voor dat het volledig herladen van de batterijen zuiniger kan gebeuren.

Door het bouwen van een zelfontworpen draadloos energie overdracht systeem, was er de mogelijkheid een systeem te bouwen waarmee vermogens kunnen worden overgedragen van rond de 40 Watt. Daar bijvoorbeeld de vermogens om smartphones op te laden meestal maar 5 Watt bedragen. In de scriptie werd in een stappenplan beschreven hoe zo een systeem kan berekend worden. Er werd verondersteld dat er geladen wordt met uitgelijnde spoelen die zich steeds op eenzelfde afstand van elkaar bevinden. Spoelen zijn de cirkelvormige componenten (zie afbeelding 1, 2 en 3) waarmee de energie wordt overgedragen.

Hardware

Verschillende printplaten werden ontworpen om alle elektronische componenten met elkaar te verbinden. Zo werd er een specifieke batterijlader ontworpen voor het gekozen batterijpack. Daarnaast werd er voor het laadstation en de Butler Robot een printplaat ontworpen om de draadloze energieoverdracht mogelijk te maken. Op deze twee printplaten zijn twee microcontrollers voorzien die het mogelijk maken de efficiëntie hoog te houden. Aan de Butler Robot werd een Bluetooth module voorzien. Dit laat toe informatie uit te wisselen met een computer. 

Een laatste onderdeel van de gebouwde hardware is noodzakelijk  om de batterij gevoede sensoren draadloos te kunnen laden. Daarvoor werd een transmitter gemaakt om de energie afkomstig van de batterijen van de robot over te dragen naar de receiver van de sensor. 

Software

Voor de microcontrollers werd software geschreven. Aan het laadstation kan de draadloze energie overdracht worden gestart a.d.h.v. een drukknop. Status informatie wordt weergegeven op een LCD scherm. Aan de kant van de Butler Robot werd software voorzien waarmee de robot kan bestuurd worden, de batterijspanning kan worden uitgelezen, enz.

Resultaat

Het resultaat staat in afbeelding 1, 2 en 3 weergegeven (zie bijlage). Op de Butler Robot zijn twee spoelen bevestigd. De middelste spoel dient om de batterijen van een de Butler Robot te laden. De andere spoel om de batterij gevoede sensoren te herladen.

Door te zoeken naar het optimale punt voor verschillende laadvermogens kon de totale efficiëntie hoog gehouden worden. Daarvoor zijn een aantal extra elementen toegevoegd aan het draadloos energieoverdracht systeem. Dit resulteerde in een efficiëntie tussen de 54% en 58%.

Bibliografie

[1]  Linear Technology Corporation, 1630 McCarthy Blvd., Milpitas, Ideal Diode Bridge Controller, 2 2014. Rev.B.

[2]  S. C. Industries, Full Bridge Rectifier. ON Semiconductor, P.O. Box 5163, Denver, Colorado 80217 USA, 9 2013. Rev.1.

[3]  RoboteQ, “Foto rotation possibilities mecanum wheels.” [Online; accessed November 14, 2017].

[4]  Linear Technology Corporation, 1630 McCarthy Blvd., Milpitas, 4A, High Efficiency, Standa- lone Li-Ion Battery Charger, 11 2016. Rev.A.

[5]  Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265, TPL0401x-10 128-TAPS Single-Channel Digital Potentiometer With I2C Interface, 11 2016. Rev.1.

[6]  Linear Technology Corporation, 1630 McCarthy Blvd., Milpitas, TimerBlox: Voltage Controlled Silicon Oscillator, 2 2010. Rev.C.

[7]  Wurth Elektronik, Max-Eyth-Str. 1, 74638 Waldenburg, Germany, WE-WPCC Wireless Power Charging Transmitter Coil 760308102142, 3 2017. Rev.001001.

[8]  Libelium.com. (2018). Top 50 Internet of Things Applications - Ranking — Libe- lium. [online] Available at: http://www.libelium.com/resources/top_50_iot_sensor_ applications_ranking/ [Accessed 21 Apr. 2018].

[9]  L. R. J. Stanimir S. Valtchev, Elena N. Baikova, “Electromagnetic field as the wireless trans- porter of energy,” FACTA UNIVERSITATIS, vol. 25, pp. 171–181, December 2012.

[10]  Wireless Power Transfer for Medical Microsystems. New York, NY: Springer New York : Im- print: Springer, 2013.

[11]  I. V. R. W. C. A. T. M. B. a Designer’s Best Choice, 2000. https://www.digikey.com/en/ articles/techzone/2016/aug/inductive-versus-resonant-wireless-charging.

[12]  L. Huang and A. Hu, “Defining the mutual coupling of capacitive power transfer for wireless power transfer,” ELECTRONICS LETTERS, vol. 51, pp. 1806–1807, October 2015.

[13]  A. A. T. P. Wirelessly, 2000. https://web.archive.org/web/20150119044123/http: //www.efymagonline.com/pdf/52_Wireless%20Power%20Transfer_EFY%20August% 202013.pdf.

[14]  A. brief history of the Qi specification, 2000. https://www.wirelesspowerconsortium. com/developers/specification.html.

[15]  Details, specifics about the A4WP Wireless Charging system developed, and promo- ted by the Alliance for Wireless Power, 2000. http://www.radio-electronics. com/info/power-management/wireless-inductive-battery-charging/ a4wp-wireless-charging.php.

[16]  P. sion and Alliance for Wireless Power of the Rezence Standard Peripherals, 2000. to (A4WP) Announces the Expan- 50 Watts to Include Tabletshttps://www.marketwatch.com/story/ alliance-for-wireless-power-a4wp-announces-the-expansion-of-the-rezence-standard-to-

[17]  R. Schuylenbergh, Koenraad ; Puers, Inductive Powering (Analog Circuits and Signal Proces- sing). Dordrecht: Springer Netherlands., 6 ed., 2009.

[18]  R. Schuylenbergh, Koenraad ; Puers, Inductive Powering (Analog Circuits and Signal Proces- sing)., ch. 3, pp. 77–101. Dordrecht: Springer Netherlands., 6 ed., 2009.

[19]  Millimeter-Wave Power Amplifiers. Signals and Communication Technology, Cham: Springer International Publishing : Imprint: Springer, 2017.

[20]  N. Sokal and A. Sokal, “Class e-a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers,” Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 10, pp. 168–176, June 1975.

[21]  R. Schuylenbergh, Koenraad ; Puers, Inductive Powering (Analog Circuits and Signal Proces- sing)., ch. 2, pp. 41–76. Dordrecht: Springer Netherlands., 6 ed., 2009.

[22]  K. Colak, E. Asa, M. Bojarski, D. Czarkowski, and O. C. Onar, “A novel phase-shift control of semibridgeless active rectifier for wireless power transfer,” Power Electronics, IEEE Transacti- ons on, vol. 30, pp. 6288–6297, November 2015.

[23]  NATE, “Battery technologies,” 2003. https://learn.sparkfun.com/tutorials/ battery-technologies.

[24]  B.University,“Bu-204:Howdolithiumbatterieswork?,”2017.http://batteryuniversity. com/learn/article/lithium_based_batteries.

[25]  Linear Technology Corporation, 1630 McCarthy Blvd., Milpitas, Linear Li-Ion Charger with Termination in ThinSOT, 11 2003. 1K.

[26]  ABLIC Inc., Siemenstr. 9 D-63263 Neu Isenburg, Germany, BATTERY PROTECTION IC FOR 3-SERIAL- OR 4-SERIAL-CELL PACK, 1 2018. Rev.5.2.01.

[27]  Samsung SDI Co.,Ltd., Dae-kyung Bldg, 120, 2-ka, Taepyung-Ro, Chung-Ku Seoul, Korea,SPECIFICATION OF PRODUCT for Lithium-ion Rechargeable Cell Model : ICR18650-30A, 11 2007.

[28]  A. NADLER and C. SOM, High Power Wireless Power Transfer for the Industrial Environment. Wurth Elektronik, Max-Eyth-Str. 1, 74638 Waldenburg, Germany, 2 2016.

[29]  B. Thoen, Wireless power voor het voeden van een draadloze muis, ch. 8, pp. 74–75. 2013.

[30]  ROHM semiconductor, RB068LAM100 Schottky Barrier Diode, 5 2017. Rev.001.

[31] MWMEANWELL,Bisschoppenhoflaan2552100ANTWERPENBELGIUM,45WDC-DCSin-gle Output Switching Power Supply, 3 2011.

[32]  TexasInstrumentsIncorporated,PostOfficeBox655303,Dallas,Texas75265,INA219ZerÃ̧-

Drift, Bidirectional Current/Power Monitor With I2C Interface, 12 2015. Rev.G.

[33]  Texas Instruments Incorporated, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265, Qi Compliant

Wireless Power Transmitter Manager, 7 2012. Rev.C.

[34]  Y.Li,J.Liu,andH.Lee,“Groundswitchingloadmodulationwithgroundisolationforpassivehf rfid transponders,” IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 20, no. 8, pp. 1443–1452, 2012.

[35]  Texas Instruments Incorporated, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265, LMD18200 3A, 55V H-Bridge, 4 2013. Rev.F.

[36]  L. D. Strycker, “Telecommunicatie.” KU Leuven cursus, 2016.

[37]  Linear Technology Corporation, 1630 McCarthy Blvd., Milpitas, Micropower Dual Comparator, 2 2008. Rev.F.

[38]  Wurth Elektronik, Max-Eyth-Str. 1, 74638 Waldenburg, Germany, WE-WPCC Wireless Power Charging Transmitter Coil 760308100110, 4 2017. Rev.001001.

Universiteit of Hogeschool
Industrieel Ingenieur Elektronica Embedded Systemen
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Liesbet Van der Perre
Kernwoorden