Progetto BicycleEnergyHarvesting: dimensionamento energetico

[Lucast85]

Ciao a tutti!
Il progetto che sto realizzando è abbastanza complesso (almeno per me) e cerco di separare i problemi che sto incontrando per non creare troppa confusione. Qui chiedo aiuto per il dimensionamento energetico del sistema ma chi volesse saperne di più può leggersi il topic iniziale o dare un'occhiata al video che descrive il setup di misura.

Vorrei calcolare l'energia disponibile e l'energia necessaria ad alimentare un sistema a microcontrollore (MCU+LCD). Un primo schema a blocchi del sistema è il seguente.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

L'energia disponibile proviene da una bobina eccitata periodicamente da un magnete ed io vorrei calcolare quella relativa ad ogni singolo impulso prodotto. Sono riuscito a memorizzare l'andamento in tensione di questi impulsi con un oscilloscopio digitale (Hantek DSO2090) ottenendo dei file .csv.

L'energia necessaria è richiesta in maniera "impulsiva" dai 2 carichi come si vede dal grafico sottostante e con l'energia di ogni impulso prodotto dalla bobina vorrei alimentare MCU ed LCD almeno fino a quando non arriva il prossimo impulso, 1,490 s dopo.

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In altre parole con gli impulsi che vedete nella parte superiore dell'immagine vorrei alimentare (a 3,3 V) MCU ed LCD. Questi richiedono "un'elevata" corrente (1,34 mA) quando entrambi sono attivi ed una corrente più ridotta (500 uA) quando l'MCU è in uno stato di sleep e l'LCD è attivo.
Io ho provato a calcolare l'energia richiesta dai carichi e quella che viene fornita dalla bobina. Sicuramente parte dell'energia verrà dissipata dal convertitore AC/DC quindi, supponendo un'efficienza di conversione del 50%, devo riuscire ad ottenere un'energia disponibile almeno doppia di quella necessaria.
Purtroppo i risultati sono stati molto deludenti e spero quindi di essermi sbagliato . Di seguito mostrerò i procedimenti che ho utilizzato nei due casi.
Vi chiedo soltanto di dargli un'occhiata e correggermi in caso di errori.
Grazie a tutti!!

[Lelettrico]

Ciao,
direi di partire dal calcolo per l'energia fornita dalla bobina, integrale o FEM che sia. L'energia necessaria al sistema di misura e' facilmente deducibile dalla somma dei due rettangoli di base 1 ms e 1.48 secondi e dalle I, V necessarie. Da un certo punto di vista sapevo che saremmo arrivati alla conclusione alla quale sei arrivato da solo. Soluzione aumentare la permeabilita' la velocita e il numero di magneti.
Ma la vedo triste.

[Lucast85]

Energia richiesta dai carichi (MCU+LCD)
Il display LCD ed il microcontrollore sono alimentati con una tensione di 3,3 V, stabilizzata da un opportuno regolatore (forse l'LTC3105) e richiedono delle correnti in maniera diversa:

-l'LCD una corrente costante di 400 uA. Il display è sempre attivo.
-l'MCU una corrente di 940 uA quando è attivo (per 1 ms) ed una corrente di standby di 100 uA circa quando si trova in uno stato di sleep (1,490 - 0,001 secondi).

Il grafico in blu del post [1] rappresenta proprio questa situazione.
Io quindi ho calcolato l'energia relativa ad un periodo T=1,490 s aiutandomi col grafico delle correnti assorbite in questa maniera:
.
come ha anticipato Lelettrico .
L'energia fornita dalla bobina l'ho calcolata applicando il th. del massimo trasferimento di potenza ma non ditemelo, lo so che sono un po troppo ottimista ...
Il pomeriggio posterò il mio procedimento applicato alla serie di valori in tensione misurati...

[Lucast85]

Energia fornita dalla bobina
Una volta misurato l'impulso e salvati i dati in un file .csv li ho elaborati tramite Matlab per ricavare l'energia del singolo impulso. La misura è stata fatta in maniera tale da emulare la velocità del ciclista minima di 5 km/h.
Il file .csv prodotto dalla misura è composto da 10240 campioni (valori di tensione dell'impulso). Il periodo di campionamento è di . Per tale periodo, quindi, il valore di tensione è costante e dato dall'n-esimo campione. In pratica ho un segnale a gradini (piccoli) discreto.

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Per calcolare l'energia massima che posso ottenere dalla bobina ho applicato il th. del massimo trasferimento di potenza assumendo quindi che la resistenza del sistema a valle della bobina RL sia uguale alla resistenza interna della bobina RS, circa 25 ohm.

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La misura ai capi della bobina è stata fatta collegando la sonda dell'oscilloscopio direttamente ai capi del solenoide per cui credo di aver misurato circa VS in quanto Zin(sonda)=1 Mohm e la c.d.t. ai capi di RS è trascurabile.
A questo punto, conoscendo VS istante per istante (n, discreto) ed RS (misurata col multimetro), ho calcolato la potenza in ognuno dei 10240 campioni con: infine ho moltiplicato questo valore "istantaneo" di potenza per l'intervallo di campionamento . Così, per ottenere l'energia totale dell'impulso ho sommato tutte queste (10240) energie.
In formule:
Dai miei calcoli devo "solo" migliorare di un fattore 20 circa ...ma spero d'aver commesso qualche errore ...

[Lelettrico]

Procederei con ordine
(o ) non so se sia proprio la della bobina, in prima analisi dovrebbe. Pero' proverei (con il disco a 5 km/h) a variare per trovarne il valore per cui si dimezza. Poi farei la stessa prova a 20 km/h per vedere se resta tale e quale. Il teorema del massimo trasferimento vale in ogni caso, ma tieni anche conto che hai una ferrite che non e' fatta per queste frequenze "bassissime" ma per 200 kHz

Altro punto e' sul come considerare l'area sfruttabile per ricavarne energia. Tieni conto che occorre sottrarre dalla tensione un valore minimo di 0.6 volt per il buck-boost e inoltre per usare tutti gli impulsi occorre raddrizzare i due baffi "negativi" con dei diodi (sincroni se vuoi per ottimizzare la caduta). Poi 50 o 80 % si vedra' ....

Se fossi io, toglierei la ferrite e cercherei di adattare dei lamierini da trasformatore. Nei piccoli trafo diciamo 20-30 VA e' ancora possibile separare il pacco lamellare dal cartoccio senza troppa difficolta'. Poi e' forse possibile usare direttamente l'avvolgimento primario a 220 (o 110 + 110). Il salto di permeabilita' giova alla tensione e nuoce alla coppia residua, mi sembrava di aver visto il disco piegarsi verso il magnete gia nel video che postavi. Sempre sperando che non cocci, aumentare il numero dei magneti aumenta l'energia ricavabile per ciclo. Altro non resta che allungare il tempo di intervento del sistema (rettangolo grande) sperando che per l'intervallo cosi' "allungato" il complesso magnete bobina riesca a fornire l'energia necessaria (rettangolo piccolo) per tenere acceso il display.

[Lucast85]

Quindi i calcoli dell'energia sembrano ok? Speravo di sbagliarmi...

Intanto però ho una bella notizia: il display LCD consuma un po meno di quanto avevo letto sul web (400 uA). In realtà siamo attorno ai 250 uA, a 3,3 V.

Per quanto riguarda la RS provvederò quanto prima a fare le misure.

Altro punto e' sul come considerare l'area sfruttabile per ricavarne energia.

In effetti ho dedicato un po di tempo alla questione. Ho fatto delle ricerche, soprattutto sul sito della IEEE, trovando dei documenti interessanti:

-A BRIDGE VOLTAGE DOUBLER AC/DC CONVERTER FOR LOW-VOLTAGE
ENERGY HARVESTING APPLICATIONS
-An Active Voltage Doubling AC/DC Converter for Low-Voltage Energy Harvesting Applications
-A voltage-multiplying self-powered ac/dc converter with 0.35 V minimum input voltage for energy harvesting applications

Questi convertitori AC/DC saranno seguiti probabilmente da un regolatore buck/boost, pensavo all'LTC3105.
Però l'argomento richiede un nuovo topic e volevo crearlo più in là, quando risolverò i problemi energetici.

Il salto di permeabilita' giova alla tensione e nuoce alla coppia residua, mi sembrava di aver visto il disco piegarsi verso il magnete gia nel video che postavi. Sempre sperando che non cocci, aumentare il numero dei magneti aumenta l'energia ricavabile per ciclo.

Si, è vero, si piega! Cercherò di trovare un compromesso fra numero di magneti e forza che viene impressa sul disco. Poi mi metterò subito alla ricerca di trasformatori adatti!!

Altro non resta che allungare il tempo di intervento del sistema (rettangolo grande) sperando che per l'intervallo cosi' "allungato" il complesso magnete bobina riesca a fornire l'energia necessaria (rettangolo piccolo) per tenere acceso il display.

Non ho capito bene cosa intendi, puoi spiegarmi meglio ?

[Lelettrico]

Do una occhiata + profonda alle IEEE ma gia' mi sembra una buona strada.
Sull'ultimo punto forse con una immagine riesco a spiegarmi meglio, in breve e' accettabile che se non vi e' energia sufficiente il campionamento (che richiede maggior energia) possa avvenire non ogni ciclo ma ogni tot cicli. Quando vi sia energia bastante e' possibile capirlo dal momento che devi caricare un condensatore di capacita' nota ad una tensione che puoi misurare. In mancanza dell'energia necessaria e' ovvio che non si puo' accendere il convertitore

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Riguardo LTC3105, mi sembra gia' che non vada bene, e' vero che parte a 250 mV ma e' anche vero che non si possono superare i 5 volt in ingresso. Siamo sicuri che riesci a mantenere quella tensione sul C di serbatoio per tutte le velocita' e per tutti gli assorbimenti possibili?
Se clippi i 5 perdi energia

[Lucast85]

Ora ho capito . In effetti sembrava una soluzione possibile anche a me però dopo che mi sono fatto 4 conti sull'energia necessaria all'MCU per il campionamento ho cambiato idea. Probabilmente ci ha tratto in inganno il grafico degli assorbimenti in f. del tempo. In realtà il quadrato relativo all'assorbimento di I dell'MCU, sebbene sia alto quasi il triplo, è molto ma molto più stretto di quello relativo all'assorbimento di I dell'LCD (1 ms Vs. 1489 ms). Quindi mi concentrerei sull'energia fornita all'LCD.

Ho fatto delle prove ed ho notato che funziona bene anche alimentandolo a 3,1 V, assorbendo una corrente di 220 uA circa. Quindi già posso risparmiare un po' d'energia in questa maniera.

In più, stavo pensando di far lavorare il display in maniera "flashing", cioè di accendere e spegnere il display ad intervalli di tempo piccoli e con un certo duty-cycle. Il tutto senza creare effetti sgradevoli a chi guarda il display. Sarà una strada percorribile?

Riguardo LTC3105, mi sembra gia' che non vada bene......Siamo sicuri che riesci a mantenere quella tensione sul C di serbatoio per tutte le velocita' e per tutti gli assorbimenti possibili?
Se clippi i 5 perdi energia

Eh no...Non sono sicuro. Credo che si andrà oltre i 5 V, forse anche 10 V...Infatti pensavo proprio di "clippare", con uno zener ad esempio, perdendo parte dell'energia .
Ci sarebbero da sfruttare anche tensioni maggiori di 5 V. Conosci altri IC adatti per ora ?
Grazie,