Entwicklung eines energieoptimierten Systems

Bereich Smart Home, Low Energy & Energy Harvesting

Ein geringer Energieverbrauch von Systemen gewinnt mehr und mehr an Bedeutung – nicht nur im Standby-Modus, sondern gerade auch im Betrieb. Treiber sind einerseits die Forderung nach mehr Nachhaltigkeit und andererseits die steigende Zahl von batteriebetriebenen Geräten, deren Akzeptanz stark von der Batterielaufzeit abhängt. Die folgende Projektreferenz zeigt das typische Vorgehen bei der Entwicklung energieoptimierter Systeme.

Daten und Fakten

Gründung

Projektdauer

1 Monate

Team

Projektteam (Smart)

2  Mitarbeiter

Technisches Umfeld

Low Energy, Energy Harvesting, HMI, Proof of Concept, CONHARD, Altium Designer, Sensorik

Projektaufgabe

Ziel des Projektes war die gemeinsame Konzeption und Umsetzung eines Proof of Concept zur Digitalisierung einer Duscharmatur. Es sollten Licht-Features integriert und in Abhängigkeit von Wasserparametern angesteuert werden.

Die Herausforderungen lagen hier in den Bereichen Energieversorgung, Lichtkonzept (HMI), Sensorik und Bauraum. Für das System wurde eine Batterielaufzeit von mindestens einem Jahr gefordert, was mit einer akzeptablen Anzahl von Batterien nicht möglich war. Auch die Sensorintegration in den vorgegebenen Bauraum stellte eine Herausforderung dar. Dies erforderte die Auswahl und Kombination verschiedener Sensorprinzipien für dieselbe Aufgabe.

Das Lichtkonzept sollte mit dem Kunden gemeinsam erarbeitet und optimiert werden, um einerseits eine zufriedenstellende Wahrnehmung der Licht-Features bei unterschiedlichen Belichtungssituationen im Umfeld (Badezimmer) zu garantieren und andererseits die Batterielaufzeit so wenig wie möglich zu belasten.

Konzeption und serienreife Entwicklung

Die Umsetzung erfolgte in enger Abstimmung mit dem Kunden, wobei alle Teilbereiche des V-Modells durchlaufen wurden:

  • Konzeptionierung mit der CONHARD Methode in digitalen Workshops
  • Technologieberatung zu den Themen Low Energy, Energy Harvesting & HMI 
  • Enge Abstimmung mit verschiedenen Stakeholdern Bsp.: Mechanik und Produktmanagement
  • Entwicklung und Absicherung von elektronischen Modulen
  • Schaltplanerstellung, Layout-Entwurf und Fertigung
  • Software-Entwicklung und Inbetriebnahme
  • Systemtests zur Evaluation des Energy Harvesting Wirkungsgrades
  • Systemtests im Labor des Kunden zur Evaluation des HMI und des Energiebedarfs bzw. der Energiebilanz des Systems

 

Während der initialen Workshops wurden die verschiedenen Herausforderungen mithilfe der CONHARD Methode erarbeitet, aufeinander abgestimmt und nach mehreren Iterationen in Use-Cases überführt.

Zur Energieversorgung zeigte sich ein Energy Harvesting Konzept, bei welchem Energie aus der Umgebung gewonnen wird, als praktikabel. Berechnungen und Messungen bestätigten, dass ein energieautarker Betrieb, also ohne Batterien, möglich ist.

Das Lichtkonzept umfasste mehrere LEDs, welche zur Evaluation in Anzahl und Helligkeit variiert werden konnten. Durch diese Flexibilität konnte ermittelt werden, welche Parameter zu einem minimalen Stromverbrauch bei maximal homogener Ausleuchtung führen.

    Nutzen

    Mit den Methoden aus dem Bereich „Low Energy“ wird der Energieverbrauch eines Systems analysiert, optimiert und abgesichert. Gerade für batteriebetriebene Geräte ist dies von zentraler Bedeutung, da häufige Batteriewechsel die Qualitätsanmutung des Produkts beeinträchtigen.

    Die verschiedenen Technologien des „Energy Harvesting“ erlauben es, Energie aus der Umgebung zu „ernten“. Sei es thermische, photonische oder mechanische Energie. Hiermit kann die Batterielaufzeit des Systems, ähnlich einem „Range-Extender“, unterstützt werden. In manchen Fällen ist zudem ein Betrieb ohne Batterien, also völlig energieautark, möglich.

    Die Anwendung der CONHARD Methode ermöglicht es, von Beginn an ein einheitliches Systemverständnis zwischen allen entwicklungsbeteiligten Domänen und Stakeholdern zu schaffen. Dadurch wird nicht nur die Effizienz der Produktentwicklung und die Qualität der Entwicklungsergebnisse gesteigert, sondern auch eine hohe Transparenz über die Auswirkung verschiedener Design-Entscheidung geschaffen. Entscheidend hierfür ist die CONHARD Elektronik Architektur, die je nach Projektphase und Adressat unterschiedliche Detailierungsgrade aufweist und somit individuell passend eingesetzt werden kann.

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