Energy Harvesting versorgt Milliarden IoT-Geräte mit Energie

Das Internet der Dinge gewinnt zunehmend an Popularität – kein Wunder, hilft es doch den Menschen viele Aspekte ihres Lebens einfacher zu bewältigen. Doch wie so oft, hat die Medaille auch eine Kehrseite. Viele der Herausforderungen die es mit sich bringt, haben die Entwickler erst sukzessive erkannt und so könnte es auch in Zukunft sein.

Probleme beim Management großer Netzwerke, bei der Bereitstellung der einzelnen Geräte und der Registrierung in der Cloud sind bereits bekannt. Viele andere Probleme sind jedoch noch nicht gelöst. Die erforderliche Leistung von einigen Serverfarmen, die einige der größeren Clouds hosten, steht schon zur Verfügung. Aber die Antworten auf andere wichtige Fragen sind noch nicht gefunden – und in einigen Fällen stehen sogar die Fragen noch aus.

Wichtige Fragen zum IoT

Bild 1: Der Embedded Controller RE01 für Energy-Harvesting-Anwendungen Renesas

Eine der dringendsten Fragen, die es zu beantworten gilt, lautet: Kann sich der Planet die Anforderungen des Internet der Dinge, zumindest in seiner jetzigen Form, wirklich leisten? Auch wenn diese intelligenten Geräte dabei helfen, viele der Prozesse und Systeme effizienter zu gestalten, wie steht es eigentlich um die intelligenten Geräte selbst? Welche tatsächlichen Auswirkungen hat ein Netzwerk von Milliarden intelligenter IoT-Sensoren?

Es ist bereits bekannt, wie viele dieser Sensoren in Zukunft aussehen. Sie verfügen typischerweise über ein analoges Sensor-Frontend, einen Mikrocontroller, Funk und eine Art Stromversorgung. Doch wieviel Strom verbrauchen diese Milliarden von intelligenten Geräten? Woher kommt diese Energie und wie wird sie dem Gerät bereitgestellt?

In Wirklichkeit lassen sich die wahren Vorteile vieler IoT-Geräte nur mit rein drahtlosen Anwendungen realisieren, die eine Form der Funkkommunikation und eine lokale Stromversorgung nutzen. In den meisten Fällen besteht diese aus einer chemischen Batterie.

IoT und Batterie

Die Batterietechnologie hat sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. Die Energiedichte ließ sich stark erhöhen, ebenso wie die effektive Lebensdauer der Batterie. Viele dieser Verbesserungen sind jedoch durch den verstärkten Einsatz von exotischeren – oftmals toxischen und gefährlichen – Verbindungen in der Batterie bedingt. Aktuell kommt vor allem die Lithium-Ionen-Technologie bei Batterien zum Einsatz – bekanntlich mit explosivem Potenzial. Auch die Möglichkeiten der Materialwahl der Elektroden gestalten sich schwierig, da bei vielen der effizientesten Technologien Metalle wie Cadmium, Kobalt oder Mangan zum Einsatz kommen. Diese sind jedoch oft nur an schwer zugänglichen Stellen abbaubar und können gefährlich im Umgang sein.

Die Nachfrage nach diesen Materialien besteht auch bei anderen Anwendungen – insbesondere bei Elektrofahrzeugen – die die Kosten für diese Materialien in Zukunft noch weiter nach oben treiben.

Nicht nur die Grundmaterialien von Batterien selbst bergen Risiken, sondern es scheint auch immer wahrscheinlicher, dass zukünftige politische Rahmenbedingungen in Form von Gesetzen den Einsatz zumindest einiger dieser Materialien einschränken könnten. Dies kann auch den Endanwender oder den Hersteller des Produkts zwingen, diese Materialien am Ende der Produktlebensdauer sicher zu entsorgen.

Ein weiteres Problem, das es zu lösen gilt, ist die Lebensdauer von Produkten. Batterien, insbesondere solche mit höheren Entladeraten, haben in der Regel keine lange Lebensdauer. Primäre (nicht wiederaufladbare) Batterien halten normalerweise nicht viel länger als 3 Jahre, während sekundäre (wiederaufladbare) Batterien je nach Verwendung bis zu zehn Jahre halten können.

Und dann bleiben noch die Kosten für den Batterieaustausch. Dazu gehören die Kosten für die neue Batterie selbst, für das Personal, das sie austauscht, und für die Systeme, die sicherstellen, dass der Austausch rechtzeitig erfolgt – vorausgesetzt, dass der Energiespeicher leicht zugänglich ist.

Woher soll die Energie kommen?

Bild 2: Der Energy Harvesting Controller (EHC). Renesas

Die einzige wirkliche Lösung für diese Probleme besteht darin, auf Batterien vollständig zu verzichten oder zumindest ihre Größe zu minimieren und sich die Energie aus der unmittelbaren Geräteumgebung zunutze zu machen. In Zukunft dürfte Energy Harvesting zur wichtigsten Energiequelle avancieren, um das Internet der Dinge voranzutreiben.

Energie ist in der Umgebung überall vorhanden, sei es in Form von Licht, Wärme oder Vibration. Viele Unternehmen arbeiten an Lösungen, um diese Energie in jeder verfügbaren Form zu gewinnen. Bisher reichten die geringen gewonnenen Energiemengen jedoch nicht aus, um intelligente Geräte zu betreiben. Daher haben es auch nur sehr wenige Anwendungen auf den Markt geschafft.

Mit der aktuellen Generation an Energy-Harvesting-Technologien und einer Halbleiterprozesstechnologie für die Herstellung von Schaltkreisen mit sehr geringer Leistungsaufnahme ist es nun tatsächlich möglich, intelligente Kommunikationsanwendungen zu entwickeln, die sich vollständig mit Energie aus der Umgebung betreiben lassen.

Renesas hat seine aktuelle RE-Mikrocontroller-Familie für Energy Harvesting entwickelt. Diese basiert auf der SOTB-Prozesstechnologie (Silicon on Thin Buried Oxide), um den beschriebenen Herausforderungen zu begegnen. Das erste Mitglied der RE-Familie, der RE01, kombiniert einen Cortex M0+ Core mit bis zu 64 MHz und integriert bis zu 1,5 MByte Flash und 256 kByte On-Chip-SRAM mit einer Vielzahl integrierter Funktionsblöcke beziehungsweise Peripherieschnittstellen. Dazu gehören komplexe und wenig energiehungrige Timerfunktionen, erweiterte analoge Funktionen und ein Memory-in-Pixel-Display-Treiber. Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild des Bausteins, der sich für viele tragbare und Medizin-Anwendungen sowie für ein breites Spektrum an industriellen Anwendungen eignet. Der RE01 lässt sich mit nur 20 µA/MHz im aktiven Modus und 150 nA im Standby-Modus betreiben. Zudem verfügt er über viele speziell entwickelte Peripheriefunktionen mit geringem Stromverbrauch, einschließlich eines Analog-Digital-Wandlers, der weniger als 4 µA verbraucht, während er einen einzelnen Kanal bei 1,6 kHz mit 14-Bit-Auflösung abtastet.

IoT ohne Batterie betreiben

Eines der Hauptziele der RE-Familie ist es, die beschriebenen Herausforderungen des IoT anzugehen und einen Weg zu finden, Geräte des IoT in Zukunft ohne Batterien zu betreiben. In jedem Mitglied der RE-Familie ist ein Energy Harvesting Controller (EHC) implementiert. Er ermöglicht es, Energie aus einer Vielzahl verschiedener erneuerbarer Energiequellen zu gewinnen und eine externe wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator automatisch zu steuern. Der EHC kann auch Strom aus gewonnener Energie an externe Komponenten wie Funk und Sensoren liefern, was die Entwicklung intelligent kommunizierender Systeme ermöglicht.

Eine der größten Herausforderungen mit jedem Embedded-Baustein in Energy-Harvesting-Anwendungen ist der Einschaltstrom. Hierbei handelt es sich um den Strom, den der Baustein beim ersten Einschalten benötigt und der typischerweise recht hoch ist. Das Risiko besteht hierbei darin, dass der Einschaltstrom die Möglichkeiten der meisten typischen Energiequellen für die Energiegewinnung übersteigt, was dazu führt, dass der Baustein nicht richtig funktioniert. Renesas hat den EHC speziell entwickelt, um dieser Herausforderung zu begegnen. Er verarbeitet die kleinen verfügbaren Energiemengen, um einen sicheren und zuverlässigen Start des Mikrocontrollers aus Niedrigstromquellen zu ermöglichen, die nur 5 µA Strom liefern. Damit lassen sich erstmalig echte Energy-Harvesting-Anwendungen mit leistungsfähigeren Anwendungen entwickeln. Bild 2 zeigt den EHC, der in allen neuen Embedded Controllern der RE-Familie implementiert ist.

Mit der richtigen Schaltung zur Leistungsdimensionierung ermöglicht der EHC den Betrieb dieser Bausteine mit verschiedenen Energiequellen. Hierzu zählt eine breite Palette an Solar- oder Photovoltaikzellen, Vibrations- und thermischen Harvestern. Renesas arbeitet bereits mit vielen Unternehmen im Bereich des Energy Harvesting zusammen, um Proof-of-Concept-Systeme bereitzustellen, die die Vorteile vieler dieser Lösungen aufzeigen.

Photovoltaik- und Vibration-Energy-Harvesting

Mit den Photovoltaik-Energy-Harvesting-Bausteinen mit hohem Konversionsgrad von Lightricity lässt sich ein Sensor oder ein IoT-Gerät mit bis zu sechsmal mehr Strom versorgen. Dies erübrigt den mehrfachen Austausch von Knopfzellen- oder von AAA-AA-Batterien. Diese Leistungssteigerung lässt sich dazu nutzen, mehr Gerätefunktionalität bereitzustellen oder die physikalischen Abmessungen des Gesamtsystems auf wenige Quadratzentimeter zu reduzieren.

So kann beispielsweise die Energy-Harvesting-Komponente von Lightricity eine ständige Energiequelle für stromintensive Luftqualitätssensoren in der Gebäudeautomation liefern. Ein autonomer drahtloser CO₂-, Temperatur-, Licht- und Feuchtigkeitssensor, der mit nur einem 10 cm² großen PV-Baustein alle 2,5 Minuten bei 200 Lux alle Umweltmessungen durchführen und übertragen kann, haben Techniker in einer Betriebsumgebung demonstriert. Über eine typische Produktlebensdauer von 10 Jahren lassen sich bis zu 150 Batteriewechsel vermeiden, wodurch der Endverbraucher Wartungs- und Batteriekosten reduzieren kann.

Bild 3: Kinergizer hat eine Methode entwickelt, drahtlose Sensoren mit Vibrations-Energy-Harvestern zu betreiben. Kinergizer

Ein weiteres Beispiel, das für viele Entwickler von Interesse ist, ist die Energiegewinnung aus den Vibrationen von Maschinen oder Motoren. Dies ist besonders nützlich, wenn Sensoren an unzugänglichen Stellen innerhalb der Maschine zu platzieren sind. Kinergizer, mit Sitz in den Niederlanden, kann drahtlose Sensoren mit Vibrations-Energy-Harvestern betreiben (Bild 3), was wiederum erhebliche Einsparungen bei den Kosten für den Batteriewechsel ermöglicht. Die Breitbandtechnologie des Unternehmens ermöglicht die Energiegewinnung in einem breiten Frequenzspektrum für industrielle Anwendungen. Es hat sich unter anderem bewährt, Anwendungen in der Zustands- und Anlagenüberwachung mit Industriezertifikaten erfolgreich zu betreiben.

Die Embedded Controller der RE-Serie mit integriertem Energy Harvesting Controller, kombiniert mit einigen der aktuellen Energy-Harvesting-Lösungen, die jetzt auf den Markt kommen, ermöglichen eine neue Klasse von intelligenten Geräten. Diese lassen sich mit Energie aus der unmittelbaren Baustein-Umgebung betreiben, können Informationen erfassen und kommunizieren und teilweise oder vollständig ohne Batterie laufen. Diese Technologie kann grundlegend dazu beitragen, dass sich unser Planet das Internet der Dinge auch wirklich leisten kann.

(aok)