Bild 1: Die Vernetzung von allem mit allem – das Internet der Dinge.

Bild 1: Die Vernetzung von allem mit allem – das Internet der Dinge.Cymbet

Eine Welt, in der einfach alle Dinge intelligent und vernetzt sind, eine Welt, in der jedes Produkt – von Waschmaschinen und Lichtschaltern über Herzschrittmacher und Patientenhemden bis hin zu Armbanduhren und Laufschuhen – nützliche Daten liefern und so das Leben besser und einfacher machen können. Eine Welt, in der Milliarden funkgestützter Sensornetzwerke bei der Optimierung der Aussaat und Bewässerung, der Einschätzung von Lawinen- und Waldbrandgefahren und der Regelung der städtischen Wasser- und Verkehrssysteme helfen (Bild 1). Das ist die Welt der Wearable Technologies (WT) und dem Internet der Dinge (IoT). Und sie kommt schneller als viele denken.

Die Technik, die das IoT möglich macht – extrem sparsame Prozessoren, mobile Kleinstsensoren und Funknetzwerke – gibt es heute schon. Branchenführer wie Intel, Hewlett-Packard, Qualcomm, Bosch und Texas Instruments prognostizieren einen Anstieg des Jahresbedarfs an mobilen Sensoren von heute Milliarden bis 2025 auf Billionen [1]. Und Cisco geht davon aus, dass das IoT-Wachstum innerhalb der nächsten zehn Jahre einen branchenübergreifenden Mehrwert von 14,4 Billionen US-Dollar generieren wird [2].

Damit dieses Wachstum stattfinden kann, müssen allerdings andere Lösungen bei der Stromversorgung her, die klein, dünn, selbstaufladend und extrem dauerhaft sind. Herkömmliche Batterien können die Anforderungen der meisten dieser neuen Produkte nicht erfüllen. Hocheffizient und effektiv sind hier Festkörper-Akkumulatoren im Zusammenspiel mit der Nutzung der in der Umgebung verfügbaren Energie, dem Energy Harvesting oder der kontaktlosen Aufladung.

Bild 2: Das Blockdiagramm von WT- und IoT-Geräten.

Bild 2: Das Blockdiagramm von WT- und IoT-Geräten.Cymbet Corporation

Architekturen von Wearables und IoT-Geräten

Viele WT- und IoT-Geräte mit Funktechnik verfügen über eine ähnliche Architektur (Bild 2). Die Geräte haben eine Art von Sensor, der Informationen an einen Mikrocontroller (MCU) und einen Funksender überträgt. Die Stromversorgung übernimmt eine Primärbatterie oder ein Akkumulator, die eines der folgenden Ladeverfahren nutzen: über einen externen Stecker, Energy Harvesting (EH) oder kontaktloses Aufladen (Wireless Charging, WC).

Die drahtlose Aufladung läßt sich über zwei Wege realisieren: Energy Harvesting oder kontaktlose Aufladung:

  • Energy Harvesting – auch als Energieernte, energetische Selbstversorgung oder Energieautarkie bekannt – ist das Verfahren, bei dem die aus der Umgebung gewonnene Energie mit einem Wandler in elektrische Energie Umwandlung und Speicherung erfährt.
  • Kontaktlose Aufladung findet unter Nahfeld-Bedingungen statt, wobei eine Übertragungsspule ein Magnetfeld erzeugt, das von einer Empfängerspule in unmittelbarer Nähe aufgenommen wird. Funk- und Induktionsladen sind zwei verbreitete Formen der kontaktlosen Aufladung. Es existieren mehrere Konsortien, die sich für die Verbreitung der kontaktlosen Aufladung einsetzen: WPC, PMA, A4WP und WCT.

Hinweis: Energy Harvesting ist die umweltfreundlichere der beiden Lösungen, da hier Energie hergenommen wird, die bereits in der Umgebung des Geräts vorhanden ist. Bei Umgebungen mit stark schwankenden Energiegehalten kann allerdings die kontaktlose Aufladung die bessere und sicherere Wahl sein.

Gut mit Strom versorgt

Die Energiespeichervorrichtungen in den meisten tragbaren WT- und IoT-Geräten müssen das Produktleben überdauern können. Es gibt weder eine Öffnung für den Batteriewechsel noch Stecker oder Kabel fürs Aufladen. Sie benötigen eine drahtlose Ladung. Aufgrund dieser Einschränkungen gab Credit Suisse kürzlich zu bedenken, dass die Lebensdauer der Batterie der absolut wichtigste Aspekt eines Wearables sei.

Zurück in die Zukunft

Wearable Technology und das Internet der Dinge passieren genau jetzt: die Grundvoraus­setzungen sind erfüllt und die Technik ist verfügbar. Bereitsein im Hinblick auf andere Technologien ist alles. WT- und IoT-Geräte brauchen dafür Stromversorgungslösungen, die Enabler-Technologien, wie energetische Selbstversorgung mit Festkörperbatterien nutzen, um diese Geräte überhaupt möglich zu machen.

„Der limitierende Faktor bei der Anzahl der Sensoren und der Menge der generierten Daten ist die Batterielebensdauer des Wearables“ [3]. Auch viele andere IoT-Geräte weisen diese Eigenschaften auf. Die meisten schließt man wegen der Kosten, die das mit sich bringt, nicht an die Stromversorgung an. Viele sind schlicht zu klein für einen Steckverbinder, unzugänglich oder zu integriert, um sie instandhalten zu können.

Die Wahl der Energiequelle

Die folgenden EH-Wandler sind die meist verwendeten bei Energy-Harvesting-Anwendungen: Photovoltaische Bauteile wandeln Licht in elektrische Energie um. Thermoelektrische Bauteile wandeln einen Temperaturunterschied um. Piezoelektrische Bauteile wandeln Vibrationsbewegungen, elektrostatische oder elektromagnetische Bauteile in eine Drehbewegung und HF und induktive Bauteile wandeln magnetische Energie in elektrische Energie um. Die Wahl der Energiequelle hat direkte Auswirkungen auf Kosten und Durchführbarkeit. Sie müssen die Umgebung ihres Geräts analysieren, um bestimmen zu können, welche Energiequelle die optimale Kombination aus Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit aufweist.

Bei herkömmlichen Primärbatterien gibt es eine ganze Menge Probleme, die sie für Wearables und ähnliche IoT-Geräte ungeeignet machen. Erstens geht es mit den Verbesserungen bei der Energiedichte von Li-Ionen-Batterien nicht voran. Zweitens sind sie durch ihre gefährlichen Chemikalien zu vielen Anwendungen inkompatibel und für automatische Bestückungsverfahren ungeeignet. Stoßbeschädigungen, Umgebungstemperaturen über 60 °C und wiederholtes Überladen können zum thermischen Schmelzen (Explosion oder Brand) in Lithium-Ionen-Akkumulatoren führen; ein Risiko, das mit steigender Energiedichte zunimmt.

Zu diesen Risiken gehört ebenso das Auslaufen der Chemikalien. Und schließlich brauchen chemische Batterien ein sperriges Gehäuse, was die Unterbringung mit anderen Bauteilen in einer gemeinsamen Umhausung verhindert. Das verringert die effektive Energiedichte erheblich, da sich das Gesamtvolumen reduziert. Knopfzellen und Superkondensatoren verfügen nicht über die erforderlichen Eigenschaften, um WT/IoT-Geräte zu versorgen.

Festkörperbattereien mit drahtloser Aufladung

Cymbet zeigt eine Alternative zu den Primärbatterien: Festkörperbatterien mit kontaktloser Aufladung. Die Festkörperbatterien (Bild 3) sind wiederaufladbare Energiespeicher, deren Herstellung auf Siliziumwafern in Halbleiterfertigungsweise erfolgt. Als Nacktchip-Batterien, oder mit anderen ICs im selben Gehäuse sind sie verpackt und finden auch in der Form Verwendung.

Bild 3: Ener-Chip-Festkörperbatterien – vom Wafer zur Leiterplatte.

Bild 3: Ener-Chip-Festkörperbatterien – vom Wafer zur Leiterplatte.Cymbet Corporation

Festkörperbatterien sind den konvenzionellen Batterien bei den meisten IoT-Anwendungen überlegen, denn sie haben hohe Energiedichte, niedrige Selbstentladeraten und viele Ladezyklen. Außerdem sind sie klein, schlank im Aufbau (bis zu 0,2 mm3), kompatibel zu automatisierten SMT- und Reflow-Verfahren (Bild 3, unten) und problemlos mit anderen Bauteilen im selben Gehäuse integrierbar. Sie enthalten keine Chemikalien, es besteht keine Funkengefahr (kein Brand- oder Explosionsrisiko) und sie sind sicher beim Lufttransport.

Bausteine mit geringem Energiebedarf

Die folgende Checkliste kann beim Entwurf eines optimierten Energy-Harvesting-Modells helfen. Wichtig ist zunächst die Bestimmung der Energieformen und -gehalte in der Umgebung (Licht, Temperatur, Vibration, Bewegung, Strömung und Elektromagnetismus). Im zweiten Schritt empfiehlt sich die Charakterisierung der Energiequelle hinsichtlich Energieabgabe, Veränderlichkeit und der Dauer der Nichtverfügbarkeit. Hierbei sollte die Energiegewinnung so wirksam und kostengünstig wie möglich erfolgen. MPP-Tracking (Maximum Power Point) läßt sich für hohe Effizienz nutzen.

Verzichten sollte man auf Bauteile mit übermäßigem Leckstrom und hohem Ruhestrom. Auf die Berechnung des Energiebedarfs der Anwendung für alle Betriebsarten hin folgt eine Minimierung der Leistung – so weit, dass die verfügbare Umgebungsenergie den Bedarf decken kann. Es ist notwendig, den durchschnittlichen Leistungsbedarf im Betrieb zu verringern. Geeignet sind Funksender mit stromsparender Elektronik und effizienten Protokollen. Für alle Komponenten ist der Tiefschlafmodus wann immer möglich zu wählen. Hinsichtlich des energiebewussten Codes ist es sinnvoll, Abfrageschleifen zu vermeiden und Interrupts zu verwenden. Vor dem Betrieb ist die Eingangsspannung zu prüfen und die EH-Eingangsleistung und Energiespeicherzustände zu überwachen, um den Gerätebetrieb zu verbessern. Die Bemessung der Energiespeicher erfolgt in Bezug auf die EH-Wandlerabgabeleistung in Zeiten ohne Umgebungsenergie.

Bild 4: Ein doppelseitiges Ener-Card-Solarstromversorgungsmodul.

Bild 4: Ein doppelseitiges Ener-Card-Solarstromversorgungsmodul.Cymbet Corporation

Versorgung über Solarmodule

Ein Beispiel einer autarken Stromversorgung auf Solarenergiebasis ist ein kompaktes und effizientes Stromversorgungsmodul (Bild 4) als Komplettlösung für die Strom­versorgung von Geräten wie Funksensoren, Datenerfassungstags, Beleuchtungssteuerungen, HLK-Stellglieder und Sicherheitsvorrichtungen. Dieses Modul sorgt nicht nur für Strom. Es gibt darüber hinaus Auskunft über Eingangsleistung, Ladezustand und Parameter des Power­managements. Dieses Energiebewusstsein ist bei Entwurf und Entwicklung von intelligenten Sensoren wichtig, die ihr Betriebsverhalten an die verfügbare Energie in ihrem Umfeld anpassen sollen.

Bild 5: Selbstversorgender Innenaugendruckmesser im Millimeterbereich.

Bild 5: Selbstversorgender Innenaugendruckmesser im Millimeterbereich.Cymbet Corporation

Messen des Augeninnendrucks

Dass Sensoren mit autarker Energieversorgung sehr klein sein können, verdeutlicht ein drahtloser Augeninnendruckmesser (Bild 5) für Patienten, die am Grünen Star leiden. Alle Komponenten (Bild 2) sind integriert – Sensor, Solarzelle, Energiespeicher, MCU und Sende-/Empfangseinheit. Der Sensor mit einem Volumen von 1,5 mm3 (0,5 x 1,5 x 2 mm) wurde an der University of Michigan entwickelt und läßt sich in einem minimalinvasiven Verfahren implantieren, das routinemäßig bei Operationen des Grauen Stars zum Einsatz kommt [4]. Die Kommerzialisierung ist in zwei bis drei Jahren geplant.

Literatur

[1] Need for a Trillion Sensors Roadmap, TSensors Summit, Stanford University, Mai 2013.

[2] Bradley, Joseph, et al,Embracing the Internet of Everything To Capture Your Share of .4 Trillion, Cisco, 2013.

[3] Pitzer, John W., et al,Wearable Update – Recent Industry Event and New Product Intros, Credit Suisse, September 2013.

[4] Chen, Gregory, et al., A Cubic-Millimeter Energy-Autonomous Wireless Intraocular Pressure Monitor, IEEE, Februar 2011.