Energieautarker Drucksensor für automotive Anwendungen

Abstract:
Im Rahmen dieses Beitrags wird ein energieautarkes drahtloses Sensormikrosystem vorgestellt. Die Neuheit des drahtlosen Systems besteht darin, dass es als energieautarkes Sensorsystem speziell für den Einsatz in Fahrzeugen konzipiert worden ist. Der neu entwickelte energieautarke Drucksensor soll den Förderdruck im Kraftstoffsystem von Fahrzeugen drahtlos im 2,4-GHz-Frequenzband an einen Empfänger übertragen. 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 es, einen Energiespeicher so lange mit Energie zu versorgen, bis ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist. 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 5,5 mW/cm³ im Resonanzbetrieb konnten erzielt werden. Gleichzeitig ist es gelungen, den Energiebedarf der Elektronik und des HF Transivers deutlich zu senken, sodaß mit dem vorliegenden 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 PCB/MID Trägerrahmens untersucht und dargestellt. Das komplette System ist so ausgelegt, das 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.