Design and prototyping of a novel printed thermoelectric generator for powering automotive wireless sensors

This work’s aim is the design and manufacture of a prototype thermoelectric generator (TEG) for powering wireless sensors for automotive applications. The device harvests waste heat available in the engine compartment of a fuel- powered ground vehicle (e.g., car or truck). Its design adopts printable n-type Bi2Te3 and p-type Sb2Te3 thermoelectric materials previously developed by researchers at the Berkeley Manufacturing Institute (University of California, Berkeley), where this work was conducted. Wireless sensor networks (WSN) are a promising technology for ubiquitous, active physical condition-monitoring in a wide range of applications. WSNs are particularly suited for automotive integration: the electronic control unit (ECU) uses sensor information for various monitoring and control functions. In the current architecture, vehicle sensors are connected to ECUs by physical wires. Nevertheless, in several locations of the vehicle sensors cannot be deployed using the current wired architecture. Moreover, in order to avoid the use of wires to supply power to sensor nodes, primary batteries are currently used, but these require replacement. It is paramount that each node includes technology to harvest energy available in the immediate environment of the node to recharge itself, thus allowing longer use in the field. Thermoelectric generation is the energy-harvesting technology chosen for the FlexTech Project, which aims to develop a printed, fully integrated, self-rechargeable wireless sensor node for engine condition monitoring, and which this work is part of. This multidisciplinary work investigates various challenges. The novel technique of dispenser-printing thermoelectric materials (additive manufacturing) reduces material waste and saves energy, lowering cost per unit. Printing is also an automated process that requires minimal labor in scaled manufacturing. Starting from the design constraints imposed by the printing manufacturing process and by installing the TEG in a vehicle, the project used CAD to develop a conceptual design for the device. Rapid prototyping (such as 3D printing) was used to develop an environment for testing TEG performance. The power that a TEG can generate depends on the temperature difference between the cold and hot sides. The design proposed in this work achieves a maximum temperature difference of 37 °C, corresponding to a potential power generation of 26.5 μW with a configuration of 40 printed thermoelectric couples, thereby meeting the FlexTech Project's power requirement.

Scopo di questo lavoro è la progettazione e la realizzazione di un prototipo di generatore termoelettrico (TEG), la cui applicazione target è l’alimentazione di sensori wireless per applicazioni automobilistiche. Il dispositivo converte calore disperso nel vano motore di un veicolo provvisto di motore a combustione interna (ad esempio auto o furgone). E’ basato sull’utilizzo di materiali termoelettrici stampabili, tipo-n Bi2Te3 e tipo-p Sb2Te3 sviluppati precedentemente da ricercatori del Berkeley Manufacturing Institute (University of California, Berkeley), dove la presente attività è stata svolta. Le reti di sensori wireless (WSN) costituiscono una tecnologia promettente per il controllo attivo di condizioni fisiche di un ampio campo di applicazioni e sono particolarmente indicate per l’utilizzo in campo automobilistico. La centralina di controllo veicolo (ECU) adotta le informazioni ricevute dai sensori per varie funzioni di controllo e monitoraggio. Nelle architetture ad ora adottate, i sensori a bordo veicolo sono collegati alla ECU via cavo. Tuttavia, ci sono diverse parti del veicolo dove i sensori non possono essere posizionati nella configurazione cablata. Inoltre, per evitare l’utilizzo di cavi per l’alimentazione di tali sensori, vengono utilizzate batterie, che richiedono periodica sostituzione. E’ di primaria importanza che ogni singolo sensore della rete wireless includa una tecnologia in grado di recuperare energia dall’ambiente circostante la sua installazione, al fine di auto-ricaricarsi, garantendo un suo più duraturo utilizzo. La generazione termoelettrica è la tecnologia di recupero energia scelta per il progetto FlexTech, di cui il presente lavoro è parte e il cui scopo è lo sviluppo di un sensore stampato, completamente integrato, wireless e auto-ricaricabile per il monitoraggio di condizioni fisiche di motori. La presente attività multidisciplinare investiga diversi aspetti ingegneristicamente complessi. La tecnica innovativa di stampa di materiali termoelettrici (additive manufacturing) consente di ridurre lo spreco di materiali e di risparmiare l’energia necessaria alla manifattura, riducendo il costo per unità di dispositivo prodotto. La stampa è un processo automatizzato che consente la riduzione della manodopera necessaria non solo in fase di prototipazione ma anche per ampi volumi produttivi. Partendo dai vincoli di design imposti dal processo di stampa e dall’adozione del generatore termoelettrico a bordo veicolo, è stato dapprima adottato un modello CAD per definire un primo layout del dispositivo. Tecniche di prototipazione rapida (come la stampa 3D) sono state successivamente utilizzate per realizzare un ambiente volto al testing delle performance del dispositivo. La potenza elettrica generata da un generatore termoelettrico è funzione della differenza di temperatura presente tra lato caldo e lato freddo. Il design proposto in questa trattazione ha consentito il raggiungimento di una differenza di tempe- ratura di 37 °C, che corrisponde ad una potenziale generazione di 26.5 μW nella configurazione di 40 coppie termoelettriche stampate, soddisfacendo appieno i requisiti di potenza elettrica richiesti dal progetto FlexTech.