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Power Management and Supply

Power Management and Supply. Markus Steinemann Lorenz Straub Grigor Scartazzini. Power Management and Supply. ENERGIE BRAUCHT‘S NICHT NUR ZUM RENNEN. Power Management and Supply. Ablauf: Einleitung Beteiligte/Ablauf (Right now) Power Management Grundlagen Ansätze (WLan)

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Power Management and Supply

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Presentation Transcript

  1. Power Management and Supply Markus Steinemann Lorenz Straub Grigor Scartazzini

  2. Power Management and Supply ENERGIE BRAUCHT‘S NICHT NUR ZUM RENNEN.

  3. Power Management and Supply • Ablauf: • Einleitung • Beteiligte/Ablauf (Right now) • Power Management • Grundlagen • Ansätze (WLan) • DPO bei Interaktiven Systemen • Anforderungen vorhandene Akkutechniken • Neue Energiequellen • Diskussion

  4. Power Management Grigor Scartazzini

  5. Power Management and Supply Übersicht/Abgrenzung • Mobile Geräte  Energiequellen entsprechend konzipieren • Zweiseitig • Konsument/Gerät • effiziente Ausnützung der knappen Ressource (PM) • Beibehaltung der Leistung • Lieferant • Klein, Leicht, Konstante Leistung • Hohe Lebensdauer

  6. Power Management Grundlagen • Strom-Konsum optimieren • Gesamt- oder Teilsysteme • Einsatz: • auszuführende Prozesse optimieren • Verbrauch während Laufzeit optimieren • Ladezyklen optimieren

  7. Power Management • Anstehende Prozesse • Verbraucher nur bei Bedarf „beliefern“ • Laufzeitverkürzung (z.B. durch Speichermanagement • Schon bei Entwicklung von SW zu beachten • Während Laufzeit • Stromabfuhr der performance des Prozesses anpassen • z.B. Centrino Prozessoren • Stromabfuhr entsprechend Batteriezustand • Bei Kommunikation: entsprechend Empfangs-/Sendebedingungen • Gesamtablauf der Prozesse den Ressourcen anpassen

  8. Power Management Stromverbrauch • Verbraucher: • Rechnen • Messen • Kommunizieren • Speichern • Pro Verbraucher und in Kombination zu Betrachten

  9. Power Management • Rechenoperationen von CPU-Leistung abhängig

  10. Power Management • Messen abhängig von Sensortyp

  11. Power Management • Kommunikation • Quervergleich

  12. Power Management Ansätze (Kommunikation) • ZigBee • Märkte: • „ZigBee was created to address the market need for a cost-effective, standards-based wireless networking solution that supports low data-rates, low-power consumption, security, and reliability.“ • „ZigBee is the only standards-based technology that addresses the unique needs of most remote monitoring and control and sensory network applications.“ • Drei Haupt-Einsatzgebiete: • Home Control  Intelligent Home • Building Automation • Industrial Automation

  13. Power Management • ZigBee • IEEE-Standard (IEEE 802.15.4) • WPAN  für kurze Distanz • Niedriger Stromverbrauch (Normale Batterie > 2 y) • Optimiert für Transfer von kleinen Datenpaketen

  14. Power Management • Bluetooth Low Power • gleiche Spezifikationen wie „normales“ Bluetooth • Strombedarf Minimiert • Sendereichweite • Softwarelösungen • In CH z.B. Xemics 

  15. Power Management • Vergleich/Einsatzgebiete:

  16. Power Management Dynamic Power Optimization bei interaktiven Systemen • Energiesparen bei kleingeräten: Laptops, Handhelds etc. • Signifikanter Anteil des SW Gebrauchs beruht auf interaktion • nicht Rechenleistungs-Intensiv • Tests mit PDA: 90% Energie/Zeit wartend Warteperioden > 500ms • Leerlaufzeiten für Dyn. Power Mgmt. Nutzbar

  17. Power Management • Idee: • Möglichst genaue Voraussage über nächste Schritte/Reaktion des User  Reaktionszeit  Wartezeit  Sparpotential • i.d.R. stochastische Ansätze für die Vorraussage  meist nicht geeignet für Interaktive Systeme (aber für Rechenintensive Anwendungen)

  18. Power Management • Voraussage nächste Schritte: • „A user interface defines the framework for system-user interaction. That is, both the user and software only have predefined and limited choices for how they can proceed. More importantly, a user interface knows exactly when auser delay will occur and provides critical information for how long it will last.“[1]  Die alternativen sind bei Interaktion (über UI) begrenzt STD (State Transition Diagrams) [1] Dynamic Power Optimization of Interactive Systems; Zhong and Niraj K. Jha [2] A. Wasserman, Extending state transition diagrams for the specification of human-computer interaction," IEEE Trans. Software Engineering, vol. 11, no. 8, pp. 699{713, Aug. 1985.

  19. Power Management • Folgezustände definiert/modelliert  Reaktionen des Users • Miteinbezug psychologischer Ansätze • Sparmassnamen (Sleep mode, Frequenzminderung..) in die Zeitfenster der „menschlichen Trägheit“ legen. • User delay kann vorausgesagt werden (Formeln) • „Perceptual Delay“ • „Cognitive Delay“ • „Motor Delay“

  20. Power Management • Perceptual • T:= Time toraud (read with comprehension); n words, cpw=average number of characters per word, Wpm=rauding rate in terms of the number of standard-length words per minute. • Cognitiv • Hick-Hayman Gesetz: Zeit sich zwischen N Auswahlmöglichkeiten zu entscheiden ( a, b empirische Konstanten) • Motor • Fitts Gesetz: Zeit für Bewegung abhängig von Distanz (A) und grösse des Objekts (W)

  21. Power Management • Resultate: • Je nach Anwendungstyp höheres Sparpotential (Spiele, Browsen…) • In Tests (versch. Anwendungstypen/Benchmarks) erreichte man durchschnittliche Einsparung von 20.7% beim Energieverbrauch  Neue Sparpotentiale nicht ausschliesslich Technologischer Basis

  22. Aktuelle Akku-Technologien Markus Steinemann

  23. Übersicht • Die Bedeutung von Akkus in mobilen Geräten • Anforderungen an Akkus • Chemischer Prozess in den konventionellen Akkus • Blei-Säure • Nickel-Cadmium • Nickel-Metallhydrid • Lithium-Ionen/Polymer • Zink-Luft • Vor- und Nachteile

  24. Bedeutung von Akkus in mobilen Geräten • Begrenzte Einsatzzeit • Hohes Gewicht • Beispiel: bis 40 % von Gewicht eines Handy (Laptop 15 %) • Laufzeit durch Volumen und chemischen Prozess beschränkt

  25. Anforderungen • lange Laufzeit ohne ständiges Nachladen • geringes Gewicht • minimales Volumen • schnelle Auflademöglichkeit • hohe Lebensdauer (Ladezyklen) • geringer Preis • unproblematische Entsorgung

  26. Historische Entwicklung • ca. 1798: Volta erste Batterie (Kupfer & Zinkstreifen in Säure) • 1803: Ritter erster Akku • 1850: erste Versuche auf Basis: Blei, Schwefeldioxid • 1880: patentierter Blei-Akku (Faure) • 1903: erste Versuche eines Nickel-Cadmium-Akkus • 1948: Durchbruch Nickel-Cadmium dank Neumann (gasdichte Gehäuseform) • 1990: Nickel-Metallhydrid Akku (Cadmium -> Metalllegierung) • 1993: Lithium-Ionen/Polymer-Akku • Zukunft: Luft-Zink-Akku, Brennstoffzelle, Photozelle ...

  27. Chemischer Prozess

  28. Blei-Säure • Vorteile • Hochstromfähigkeit • Niedrige Herstellkosten (Blei + Schwefelsäure) • Keine negativen Effekte (Entladung etc.) • Gasdichtes System (kein Elektrolyt)  auslaufsicher • Nachteile • Hohes Gewicht • Umweltverträglichkeit von Blei • Geringe spezifische Energie 30 bis 50 Wh/kg • Unerwünscht: Tiefentladung, Überladung • Verwendung: in Automobilindustrie, IT (USV)

  29. Blei-Akku

  30. Nickel-Cadmium • Vorteile • Elektrolyt ist Kalium-Hydroxid • Geringe Herstellkosten • Lange Lebensdauer, Kältefestigkeit • Liefert kurzfristig hohen Energiemengen • schnellladefähig • Nachteile • Geringe spezifische Energie • Memory Effekt, hohe Selbstentladung • Umweltproblem mit Cadmium • Einsatz: Akkuwerkzeuge, elektr. Zahnbürste, schnurlos Telefon

  31. Memory Effekt bei NiCd Akkus • Kristallbildung auf der Cadmium Seite (negative Elektrode) • Verursacht wegen falschem Handling bei Laden/Entladen • Ist entfernbar: mehrmaliges Entladen mit geringem Strom

  32. Nickel-Metallhydrid • Vorteile • konstante Ströme über einen langen Zeitraum • Höhere spezifische Energiemenge,60 bis 80 Wh/kg (NiCd: 40-60) • Problemlose Entsorgung • Nachteil • Lazy-Battery-Effekt (auch Selbstentladung) • Empfohlen: Ladegerät mit Entladefunktion • Empfindlich auf überladen • Einsatz: Handys, DigiCams, Audio-Geräte, (Notebooks)

  33. Lazy-Battery Effekt • Kristalle an der positiven Nickelhydroxid-Elektrode • Vergleichbar mit Memory-Effekt

  34. Lithium-Ionen • Vorteile • höchste spezifische Energie 90 bis 110 Wh/kg • Geringe Selbstentladung • Kein negativer Effekt (Lazy, Memory) • Liefert konstante Ausgangspannung • Höchste Energiespeichervermögen • Nachteile • Lithium ist hoch reaktives Leichtmetall, bei starker Erwärmung Explosion  organischer Elektrolyt • Braucht spezielles Ladegerät (Überhitzungsschutz) • Sehr teuer, nie ungeladen lagern • Einsatz: Handys (z.B. Sony Z600) und Notebook, PDA’s (Palm V), Apple IPod

  35. Lithium-Polymer-Akku • Gleichartig wie Lithium-Ionen • Unterscheide • Gel-artiges Elektrolyt  auslaufsicher • Engergiepackdichte am höchsten • Nachteile • Noch keine hohen Ströme • Einsatz: PDA (Palm Tungsten), Edelhandys (Sony Ericsson P900)

  36. Zink-Luft-Akku • Anode aus Zink, Kathode aus spez.Kohlenstoff, eindiffundiert mit Sauerstoff aus Umgebungsluft • Vorteile • Preiswerte Materialien • umweltfreundlich • geringe Selbstentladung • liefert hohe Ströme (keine negativen Effekte) • temperaturresistent (-20, +60 °C) • Ersatz für Blei-Akkus: kleiner, leichter, höhere Laufzeiten, höhere Energie-Dichte (300Wh/kg; 10x Blei, 3x Li-Ion) • Einsatz: USV, Hörgeräten (Batterie), Prototypen für Notebooks

  37. Beispiel Luft-Zink-Akku Nachteil: Offenes chemisches System (Aussenluft)

  38. Weltweiter Absatz Sekundärbatterien

  39. Handhabung Akkus • Lagerung • Bemerke: Chemischer Prozess läuft weiter • Trockene, kühle Umgebung • Nachladen des Akkus in bestimmten Zeitintervallen • Verhindert Tiefentladung • Einsatz von professionellen Ladegeräten

  40. Neue Energiequellen Lorenz Straub

  41. Neue Energiequellen • Inhalt: • Ziele von neuen Energiequellen • Solarzellen • Brennstoffzellen • Folienbatterien • Mechanische Energie

  42. Neue Energiequellen Ziele von neuen Energiequellen • Hohe Laufleistung • Kurze (oder keine) Ladezeiten • Geringes Gewicht • Möglichst klein • Unabhängig vom jeweiligen Zustand wiederaufladbar • Überall und jederzeit einsetzbar • Auswechselbar • Umweltfreundlich (Recycling, nötige Energie zur Herstellung) • Billige, einfache Produktion

  43. Neue Energiequellen Solarzellen • Wandelt Licht in Energie um • Optimierung der Leistungsdichte nötig • Wirkung von 20% bis 22% des Sonnenspektrums

  44. Neue Energiequellen Solarzellen • Bestandteile • n-halbleitende Schicht • p-halbleitende Schicht • p-n Übergang: inneres elektrisches Feld (Ausgleich) • Photoeffekt: Sonnenlicht erhöht die Energie eines Teils der Elektronen

  45. Neue Energiequellen Solarzellen Erzeugt die Sonnenstrahlung durch den inneren Photoeffekt ein Elektron-Loch-Paar in der Nähe des p-n-Übergangs, so wandert unter dem inneren Feld das Elektron zum n- und das Loch zum p-Halbleiter.

  46. Neue Energiequellen Solar-Jacke liefert Energie für mobile Geräte • flexible Solarzellen • leicht • Widerstandsfähig • integrierte Ladesysteme für Akkus • Ab Februar 2004 erhältich (ca 400 US-Dollar) • Innerhalb der nächsten 5 Jahre sollen 30% aller Outdoor-Jackenmit Solarzellen ausgestattet sein (SCOTTeVEST) ICP Solar Technologies

  47. Neue Energiequellen Casio PDA mit Solarzelle • Entwickelt vom Fraunhofer-Institut • Arbeitet auch bei sehr schwachen Licht-verhältnissen (auch in Büroräumen) nurmit Solarstrom • Solarzelle in Deckel integriert • Optimierung der Leistungsdichte Casio-PDA mit Solarmodul

  48. Neue Energiequellen Logic 3: Ladegerät für Game Boy • Ladegerät für jegliche mobilen Geräte vorstellbar! GBA SP Solar Charger

  49. Neue Energiequellen Solarzellen • Kritik: hohe Energie für Herstellung(nach mehreren Jahren Gewinn) • Problem: begrenzte Fläche bei mobilen Kleingeräten wenige cm2 • Problem: In der Jackentasche, Handtasche, Mappe, etc. hat es kein Licht

  50. Neue Energiequellen Brennstoffzellen • „Bald Mikro-Brennstoffzellen als Akku-Ersatz in Handys?“

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