Energiegewinnung für zuverlässige Edge-IoT-Geräte nutzen

IoT-Implementierungen beschleunigen sich, da Organisationen die digitale Transformation annehmen, und smartes Wohnen – in Städten, Fabriken und auf Bauernhöfen – verspricht, Lebensqualität und Nachhaltigkeit zu verbessern.

IoT-Endpunkte sind in der Regel Sensoren – oder seltener Aktoren –, die drahtlos mit einem Aggregator oder Internet-Gateway verbunden sind. Sie werden in großer Zahl und über weite Gebiete verteilt eingesetzt. Feldwartung, wie der Austausch leerer Primärbatterien, ist oft prohibitiv teuer und erzeugt inakzeptablen Umweltschrott.

Ingenieure können den Batterieaustausch umgehen, indem sie Endpunkte mit ausreichenden Energiereserven für ihre erwartete Lebensdauer – oft mehrere Jahre – auslegen. Aufgrund von Platzrestriktionen wird meist ein Knopfzellen-Formfaktor bevorzugt. Reichen die gespeicherten Energien nicht aus, kann eine größere Zelle verwendet werden.

Alternativ hilft eine Neugestaltung der Schaltung zur Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs unter die verfügbare Zellenkapazität. Beide Strategien – oder eine Mischung daraus – könnten jedoch noch das Ziel verfehlen.

Mikro-Energiegewinnung, die Mikrowatt- oder Milliwattleistung erzeugt, bietet eine nützliche und potenziell unerschöpfliche Stromquelle, die aus der Umgebungsenergie gewonnen wird. Sie kann eine Primärzelle ergänzen oder ersetzen, abhängig von der Anwendung und der verfügbaren Umgebungsenergie. In manchen Fällen kann die gewonnene und umgewandelte Energie die Schaltung direkt versorgen; in anderen ist das Zwischenspeichern in einem Puffer bis zum Bedarf sinnvoller.

In jedem Fall ist eine geeignete Umgebungsenergiequelle erforderlich, um den Bedarf der Anwendung zu decken. Unter den verschiedenen Subsystemen des IoT-Endpunkts verbraucht das Funkmodul die meiste Energie. Die Analyse seiner Anforderungen kann das Design und die Integration des Energieernte-Systems leiten.

Stromverbrauch des Funk-Subsystems

Die Wahl der am besten geeigneten Funktechnologie, um die benötigte Datenrate und Kommunikationsreichweite bei möglichst geringem Stromverbrauch bereitzustellen, ist entscheidend.

Befindet sich der Sensor nur in kurzer Distanz zu einem Aggregator oder Gateway – wie einem Hub oder Router, der mit dem Internet oder einer lokalen Vermittlungsstelle verbunden ist – können Technologien wie Bluetooth, Zigbee oder Wi-Fi je nach erforderlicher Datenrate und Kostenrestriktionen geeignet sein. Für über große geografische Gebiete verteilte Endpunkte kann eine LPWAN- oder Mobilfunkverbindung notwendig sein. Abbildung 1 vergleicht Stromverbrauch, Datenrate, typische maximale Reichweite und relative Kosten der wichtigsten in IoT-Anwendungen verwendeten Technologien.

Reichweite, Datenrate und Stromverbrauch lassen sich auch numerisch darstellen, um einen direkten Vergleich zu ermöglichen. Wie Abbildung 2 zeigt, kann ein Funk-Subsystem von nur 150 µW bis 400 mW verbrauchen.

Um die Auswirkungen auf den gesamten Energiebedarf des Systems vollständig zu verstehen, muss der Duty Cycle berücksichtigt. Anwendungen wie intelligente Zähler senden kleine Datenpakete wenige Male pro Tag oder alle paar Tage. Andere – wie Überwachungskameras – müssen möglicherweise häufig oder kontinuierlich große Datenmengen senden. Je nach Anwendung kann der Duty Cycle durch lokale Datenfilterung vor der Übertragung reduziert werden; eine Kamera könnte beispielsweise einen Bewegungssensor enthalten, der die Aufzeichnung nur bei erkannter Aktivität startet, oder eingebettete Bildverarbeitung könnte uninteressante Frames verwerfen. Der für die Filterung benötigte Energieaufwand muss gegen die Einsparungen durch einen niedrigeren Duty Cycle abgewogen werden, um einen Nettonutzen sicherzustellen.

Umgebungsenergiequellen

Mit einem klaren Bild des Energiebedarfs des Funk-Subsystems können geeignete Umgebungsquellen und Mikro-Energieernte-Technologien bewertet werden.

Die wichtigsten Mikro-Energieernte-Technologien, die diese Systeme versorgen können, sind Solarzellen-Arrays, piezoelektrische oder elektrostatische Wandler, die durch Vibrationen aktiviert werden, und Peltier-Elemente, die einen Temperaturgradienten in eine elektromotorische Kraft (EMK) umwandeln. Über Patch- oder Spulenantennen eingefangene RF-Energie ist grundsätzlich nur für die genügsamsten IoT-Anwendungen geeignet. Abbildung 3 vergleicht die typischen Energiedichten dieser Technologien. Anhand dieser Informationen kann eine Technologie ausgewählt und eine Spezifikation durch Bewertung von Komponentengrößen und -leistung entwickelt werden.

Solarzellen mit einer Fläche von 35–40 cm² können bei einem Wirkungsgrad von ca. 20 % etwa 0,5 W erzeugen. Diese Zellen sind in Stückzahlen für weniger als 1 $ pro Stück erhältlich, während piezoelektrische Ernteelemente typischerweise mindestens eine Größenordnung teurer sind und weniger Energie liefern. Solarzellen sind in Innenräumen weniger effizient, aber neuere Indoor-Ernter beanspruchen ausreichende Ausgabe für Low-Power-Funkmodule.

Alles zusammenführen

Durch Nutzung dieser Fortschritte kann Mikro-Energieernte Batterien in IoT-Endpunkten reduzieren oder eliminieren. Da Umgebungsquellen unregelmäßig sind und möglicherweise nicht verfügbar sind, wenn das Gerät Daten senden oder empfangen muss, ist meist ein Energiespeicher – wie ein wiederaufladbarer Akku, Kondensator oder Superkondensator – erforderlich. Ein Energieernte-Power-Management-IC (EH PMIC) verwaltet die Energie aus dem Ernteeinheit, lädt den Puffer und versorgt die Last bei Bedarf, wie in Abbildung 4 gezeigt. Verschiedene Erntetechnologien haben unterschiedliche elektrische Charakteristiken. Thermoelektrische Ernteelemente erzeugen kontinuierlichen Niedrigspannungs-Gleichstrom und sind niederohmig; Solarzellen erzeugen ebenfalls niedrige Gleichspannung, aber der Strom – und damit der Innenwiderstand – variiert mit dem Lichtniveau.

Typische EH PMICs auf dem Markt haben heute feste Architekturen und Eingangsspannungsbereiche, die auf einen bestimmten Erntetyp zugeschnitten sind. Dies begrenzt die Möglichkeit, mehrere Energiequellen zu kombinieren, wenn eine allein den Systemanforderungen nicht genügt. Werden mehrere Quellen benötigt, ist für jede ein dedizierter EH PMIC erforderlich, was Kosten, Größe, Stromverbrauch und Designkomplexität erhöht.

Einige EH PMICs können durch externe Schaltung so abgestimmt werden, dass sie die Ausgabe eines Ernteelements konditionieren. Um das Systemdesign zu vereinfachen, bieten Trametos EH PMICs – OptiJoule genannt – Eingänge, die sich automatisch an verschiedene angeschlossene Ernteelemente anpassen und die an den Puffer gelieferte Leistung maximieren, ohne externe Schaltung. Versionen sind für einzelne Eingänge oder bis zu vier Eingänge erhältlich. Die Mehrfach-Eingangs-Versionen erlauben den Anschluss ähnlicher oder unterschiedlicher Ernteelemente. Mit OptiJoule-Geräten kann die Mikro-Energieernte-Kapazität skaliert werden, ein einzelner PMIC kann mehrere Anwendungen bedienen, und die Wahl der Erntetechnologie kann bis später in der Produktentwicklung aufgeschoben werden.

Fazit

Fortschritte bei optimierten Funkprotokollen, energiesparendem Mikroprozessor-Design, niedrigverbrauchenden Sensoren und steigender Mikro-Energieernte-Effizienz haben Umgebungsenergie zu einer tragfähigen Quelle gemacht, um Batterien in Edge-IoT-Geräten zu reduzieren oder zu eliminieren. Die neuesten EH PMIC-Entwicklungen bieten die Flexibilität, Größe, Kosten und Komplexität bei der Integration ausgewählter Mikro-Energieernte-Technologien zu managen.