A pressure monitoring system with thermoelectric energy harvesting and wireless communication feature for air induction system of vehicles

Abstract

Son 20 yılda artan emisyon regulasyonları ve sürücülerin araç performansı ve yakıt tüketimi gibi konulardaki beklentileri sebebi ile, otomotiv üreticileri yeni elektronik sistemler devreye almak zorunda kalmış, dolayısı ile bu elektronik sistemleri kontrol edecek sensörleri kullanma zorunluluğu ortaya çıkmıştır.Yapılan çalışmalar göstermiştir ki, tıkalı bir hava filtresi motor performansına ve yakıt tüketimine olumsuz yönde etkilerde bulunmaktadır. Bu sebeb ile, araçların hava emiş sistemlerinde ki, basınç düşüşünü düzenli ve sürekli bir şekilde gözlemlemek ve her hangi bir tıkanıklık durumunda sürücüyü anlık olarak uyarmak mevcut sistemi iyileştirecektir. Bununla birlikte, mevcut otomotiv sektörü göz önüne alındığında, karşılaşılan en büyük sorunlardan bir tanesi de kablo karışıklığı ve bu durumun tetiklediği bakım ve ekstra ağırlık problemleridir. Ayrıca, atık ısı enerjisi de, popüler araştırma konulardan biri olmakla birlikte, araç performasını be yakıt tüketimini azaltmak için, bu alanlarda çalışmalar yürütülmektedir.Tezimizde; yukarıda bahsedilen problemlere bir miktar da olsa, çözüm olması açısından, kendi enerjisini hasatlayabilen ve kablosuz iletişim yapabilen '' Kablosuz Basınç İzleme Sistemi'' tasarlanmıştır. Sistemimiz, enerji hasatlama, basınç ölçüm, kablosuz iletişim ve güç yönetim ünitelerinden oluşmaktadır. Sistem, hava filtresi boyunca ortaya çıkan basınç düşüşü bilgisini 1Hz örnekleme frekansı ile ölçmekte ve bu bilgiyi araç control ünitesine aktarmaktadır. Tezimiz de bahsedeceğimiz, '' Kablosuz Basınç İzleme Sistemi'', bünyesinde termal yollar ile elektrik üreten jeneratörler barındırmaktadır. Bu jeneratörler üzerinde sıcak ve soğuk taraflar yaratarak, iki taraf arasındaki sıcaklık farkından yararlanarak bir voltaj çıktısı elde edilmektedir. Sıcak ve soğuk taraf arasındaki bu sıcaklık farkını olabildiğince maksimum seviyeye çıkarabilmek için, her iki tarafa da, ısı toplayıcılar eklenmiştir. Sıcak taraf için ekzost manifoldundan, soğuk taraf için ise hava emiş borusu ısı kaynakları olarak kullanılmıştır.Sistemimiz de enerji hasatlama ünitesinin yanı sıra, şarj edilebilir batarya kullanılmıştır. Batarya'dan sadece sistemin uyanma aşamasında güç çekilip, arkasından hemen doldurulmaktadır. Sistemin çalışması sırasında sadece hasatlama ünitesi tarafından üretilen enerji yeterli olacak şekilde tasarlanmıştır. Dolayısı ile, hasatlama ünitemiz birinci, batarya ise ikinci güç kaynağı olarak system de görev almaktadır.

Sensor usage in automotive industry increased dramatically in the last twenty years because of the significant government regulations and increasing trend on customer expectations regarding to the power consumption and engine performance. Therefore, automotive manufacturers have to phase in new sensors to control systems.Clogged air filter is also a contributor for poor engine performance and fuel consumption. Air induction system needs to be improved in order to give accurate diagnostic information for drivers. In addition to that, one of the other critical issues for vehicles is cable complexity and associated maintenance problems. Waste heat energy is also very popular research area for Original Equipment Manufacturers (OEM) to increase vehicle performance.In vehicles, the first application which has wireless communication and energy harvesting features is Tire Pressure Monitoring Systems (TPMS). The biggest issue in battery-powered tire pressure monitoring system is the life limitation of the conventional batteries because they are not able to survive up to ten years which is one of the base requirements of automotive manufacturers. Therefore, energy harvesting technology is embedded into tire pressure monitoring systems to avoid limited life issues.In this thesis, a new self-powered and wireless pressure monitoring system (WPMS) which is based on pressure reduction across air filter is developed for air induction in heavy duty vehicles. Wireless pressure monitoring system consists of pressure measurement, wireless communication, energy harvesting and power management units. System, which is located between exhaust manifold and air inlet pipe, provides pressure drop information across air filter.Energy harvesting is done by means of thermoelectric generator. Temperature difference between hot and cold side of thermoelectric generator is used in order to generate voltage by considering ''Seebeck'' effect. Heat fins are utilized in the system to be able to increase temperature difference as much as possible. Heat fins are available in hot and cold side of thermoelectric generator.Wireless pressure monitoring system has also power management unit which works based on low power consumption techniques. Since low level energy is harvested by means of energy harvesting unit, low power should be consumed during the operation of system. Therefore, system sleeps %98.5 of 1s sampling period. System includes a receiver and transceiver sections to communicate with CAN line of engine.System designed according to the thermal network and computational fluid dynamic model results of thermoelectric generator. Several models are established throughout CFD model and some of them are used during engine level dynamometer testing. Furthermore, unit and system level tests are set in laboratory conditions in order to understand system characteristics under several conditions.