Energy Harvesting ermöglicht 1 Billion batterielose IoT-Sensoren

Drahtlose IoT-Sensorggeräte können an, in oder in der Nähe von Menschen, Geräten, Infrastruktur und unserer Umwelt platziert werden. Dies gibt uns neue Werkzeuge, um die dringendsten Herausforderungen unserer Welt des 21. Jahrhunderts anzugehen: vom Klimawandel bis hin zu sauberer Energie, sicherer Nahrung und vor allem der Fürsorge für Gesundheit und Wohlergehen einer alternden Bevölkerung. Um dies zu erreichen, müssen wir jedoch die „Powering the IoT“-Lücke schließen. Das heißt, Lösungen müssen mit Batterien laufen, die die IoT-Geräte, die sie mit Strom versorgen, überleben.

Dieser Artikel untersucht den kritischen Beitrag, den Energy-Harvesting (EH) betriebene Lösungen für das IoT leisten können. Von den Billionen Sensoren, die in den nächsten Jahren eingesetzt werden könnten, wird ein erheblicher Großteil der Ultra-Low-Power (ULP) drahtlosen Variante sein. Diese sind auch die besten Kandidaten für EH, das entweder externe Stromversorgung ergänzen oder als unabhängige Stromquelle dienen kann.

Der Ansatz, den wir zur Stromversorgung des IoT wählen, ist entscheidend für die Ermöglichung so vieler Technologien, die unsere Welt täglich verändern. Beispielsweise werden vernetzte und autonome Fahrzeuge (CAV) von zuverlässiger und allgegenwärtiger Sensorik mit sowohl hoher als auch niedriger Bandbreite abhängen, was alles erhöhte Leistungsdichte und Gewichtsreduktion erfordert – zwei Dinge, die selbstversorgende, drahtlose Sensornetzwerke unterstützen.

Kosten

Ein wesentlicher Mehrwert von EH ist die Bereitstellung/Ergänzung von Systemenergie am Verbrauchsort durch Einfang von Umgebungsenergie in der Betriebsumgebung. Die Rechtfertigung und der Erfolg von EH-Implementierungen, insbesondere in Bezug auf Total Cost of Ownership, hängen stark von der Methode der Amortisationsberechnung ab. Zum Beispiel könnte das Hinzufügen von 3–5 $ zu den Materialkosten eines Systems für EH-Fähigkeiten verrückt erscheinen, wenn man es mit einer Einweg-Knopfzelle vergleicht, die im Volumen ca. 0,25 $ kostet. Selbst wenn man Umwelt- und Nachhaltigkeitsfaktoren vernachlässigt, gibt es in der Finanzanalyse viel zu bedenken. Wenn diese Batterie jemals ersetzt werden muss, können die alleinigen Arbeits-/Zugangs-Logistikkosten die Knopfzellenersparnisse um Größenordnungen zunichte machen – umso mehr, wenn die Batterie in einer rauen und/oder unzugänglichen Umgebung sitzt, wie einer Betonwand, hoher Decke, menschlichem Körper oder tiefem Ölbohrloch.

Umgebungsenergie

EH beinhaltet die Nutzung verfügbarer Umgebungsenergien – Wärme, Vibrationen, Licht – als Stromquellen. Es gibt einen Sweet Spot, von etwa einem Mikrowatt bis zu einigen hundert Mikrowatt, wo der „doppelte Effekt“ von deutlich weniger Belastung der bestehenden Stromquelle und erhöhter Machbarkeit der Nutzung von Umgebungsenergien aus vernünftig dimensionierten Harvestern liegt. Dies kann die Batterielebensdauer erheblich erhöhen, in manchen Fällen sogar zu vollständiger Energieautonomie führen. (Dies wird in einer aktuellen EU-Publikation diskutiert und in Abbildung 1 illustriert. ⁱ)

Eine zentrale Herausforderung, getrieben durch die Integration von EH in das Systemdesign, ist der Umgang mit Energiequellen, die sporadisch sein können. Sie benötigen Energiespeicher und Leistungsmanagement-Geräte/Schaltungen, um die Energie einzufangen und für die spätere Nutzung verfügbar zu machen. Nicht nur müssen einzigartige Ingenieursanstrengungen unternommen werden, um die Energiegewinnung aus Umgebungs-Scavenging zu adressieren, sondern viele dieser Bedürfnisse können für jede EH-Methode unterschiedlich sein. Mit anderen Worten: Die Erfassung von Rohenergie aus dem EH-Wandler und die Anforderungen an Leistungswandlung/Management/Regelung sind bei Photovoltaik (PV) anders als bei thermoelektrischen Generatoren (TEG) oder vibrationsbasierter Ernte. Selbst das Betreiben verschiedener PV-Zellvarianten kann stark variieren, basierend auf der Technologie. Der allgemeine Ansatz wird tendenziell von der Natur der rohen, geernteten Energie getrieben, sei es DC (PV, TEG) oder AC (vibrationsbasiert, triboelektrisch, RF).

PV-Zellen wandeln Lichtenergie von der Sonne und/oder künstlichen Quellen direkt um, während ein TEG Energie aus einem Temperaturunterschied extrahiert, um elektrische Energie zu erzeugen. Vibrationsbasierte (elektrodynamische oder piezoelektrische) und triboelektrische Quellen stammen aus physikalischer Bewegung. RF-Erfassung involviert typischerweise den Einsatz einer gleichrichtenden Antenne (Rectenna) und Anpassungsnetzwerk, und dann, wie üblich, Einspeisung in einen DC/DC-Wandlerblock.

Eine optimale, EH-fähige Systemlösung kann Maximum Power Point Tracking (MPPT) und/oder sorgfältig kontrolliertes Impedanzmatching erfordern, um ihr maximales Energiepotenzial voll auszuschöpfen. Darüber hinaus liegen viele Umgebungsenergien bei sehr niedrigen Leistungs- und Spannungspegeln. Die meisten kommerziellen Standard-Leistungsmanagement-ICs (PMICs) sind unfähig, Energien unter 10 µW und 100 mV in nutzbaren Strom umzuwandeln. Ein Beispiel für forschungsgetriebene Bemühungen der Community, dies zu lösen, ist die MISCHIEF-Plattform, die vom Tyndall National Institute (Cork, Irland) entwickelt wird. MISCHIEF ist ein innovativer hocheffizienter, niedrig-quieszent-strom PMIC, der einen beispiellosen Bereich von Umgebungsenergien, insbesondere im Sub-10-µW-Bereich, handhaben kann, der bisher unnutzbar war. Er ist modular und hochkonfigurierbar, sodass neue Schaltungsblöcke und/oder Sollwertbereiche leicht hinzugefügt werden können. Er verfügt auch über ein digitales Interface, das es ihm ermöglicht, mit anderen Komponenten zu interagieren, um deren Betriebsmodus (Sleep, Standby, Sense, Transmit, Process) dynamisch anzupassen. Dies minimiert ihren Stromverbrauch, während die Anwendungsanforderungen erfüllt werden.

Energiespeicherung ist kritisch für intermittierende Energiequellen, da sie einen Puffer bereitstellt, um Spitzenlasten zu bewältigen, sodass die vorgelagerte Stromquelle nur für den System-Standby-Bedarf sorgen muss, statt für Worst-Case-Spitzenleistungsanforderungen.

Schaffung eines EH-Ökosystems

Beiträger zu den Power-IoT- und EH-Communities – Entwickler, Hersteller von Materialien und Geräten sowie Installateure, Integratoren und Endnutzer – haben tendenziell in isolierten Umgebungen gearbeitet. Damit EH jedoch erfolgreich große Durchdringung in Mainstream-Anwendungen erreicht, müssen EH-Wandler-Leute eng mit Leistungsmanagement- und Energiespeicher-Leuten zusammenarbeiten, ganz zu schweigen von den vielen anderen Low-Power-Systemkomponentenanbietern und Endnutzern. Dies gilt besonders für viele der Sensornetzwerk-, Low-Power-Anwendungen, auf die sich dieser Artikel konzentriert.

In der Power-IoT- und EH-Community gibt es...

Referenzen:

i. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf 

ii. https://www.enerharv.com/ 

iii. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting 

iv. M. Hayes and B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting," in IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, Sept. 2021