Energy Harvesting für das Internet der Dinge

Es geht auch ohne: Statt mit Batterien lassen sich IoT-Geräte in vielen Fällen mit Energie aus der Umwelt versorgen, etwa Licht, Wärme oder Vibrationen.Spansion

Weltweit 33 Milliarden Batterien finden Anwendung in den unterschiedlichsten Geräten – von Haushaltsgeräten bis zu industriellen Gerätschaften, deren Lebenszeit weit über die Batterielaufzeit hinausgeht. Hohe Instandhaltungskosten sind die Folge. Mit dem Wachstum des Internets der Dinge wird in Zukunft der Bedarf an einer nachhaltigen und effizienten Energieversorgung steigen. Statt immer mehr Batterien zu verbauen, kann Energy Harvesting die Geräte im Internet der Dinge versorgen. Doch der Ansatz stellt Entwickler vor große Herausforderungen. Gilt es doch, Technologien zu entwickeln, die Batterien in zentralen Geräten des Internets der Dinge ersetzen kann, ohne Leistung, Kompatibilität und Effizienz zu kompromittieren.

Energie aus der Umgebung

Energy-Harvesting-Generatoren, auch Nanogeneratoren genannt, bieten mit Power-Management-ICs (PMICs) eine effiziente und umweltfreundliche Lösung. Sie können dort eingesetzt werden, wo Stromkabel und Batterien den Einsatz von beispielsweise Sensoren, iBeacons und Wearables erschweren. Zwar ist die Versorgung elektronischer Geräte mit Solarzellen nicht neu, jedoch waren die Anwendungen früher wenig leistungsfähige Geräte wie Taschenrechner oder relativ große Geräte, die eine Autobatterie als Zwischenspeicher nutzten und so die Ausmaße eines Getränketrägers erreichten.

Für Energy-Harvesting-Anwendungen hat Spansion spezielle Power-Management-ICs entwickelt. Der Entwickler muss nur noch wenige externe Bauteile ergänzen.Spansion

Die PMICs von Spansion besitzen fast alle zum Energy Harvesting nötigen Komponenten. Für den Abwärtswandler MB39C811 muss der Entwickler nur noch die beiden Speicherkondensatoren für die Eingangs- und Ausgangsspannung, die Induktivität und einen Kondensator zur internen Spannungsversorgung ergänzen. Der Aufwärtswandler MB39C831 besitzt zusätzlich eine weitere interne Versorgung, die einen weiteren externen Kondensator benötigt. Beide PMICs benötigen parallel zum Kondensator noch eine Zenerdiode.

In die PMICs sind die Treibertransistoren, die Regler für die interne Versorgung und die Spannungsüberwachung für die Eingangs- und Ausgangsseite integriert. Letztere erzeugt ein Power-Good-Signal, das der Applikation meldet, dass der PMICs nun zur Spannungsversorgung bereit ist. Um mit Piezo-Generatoren arbeiten zu können, hat der MB39C811 an jedem Eingang einen Brückengleichrichter mit besonders niedrigem Spannungsabfall integriert. Der MB39C831 besitzt dagegen eine MPPT-Schaltung (Maximum Power Point Tracking), die für Einzel-Zell-Solarmodule notwendig ist. Das Gewinnen und Umwandeln von Solar-, Thermal- und Vibrationsenergie ermöglicht es der Anwendung über einen längeren Zeitraum bei niedrigem Energieverbrauch Daten zu sammeln und diese an andere Geräte weiterzuleiten. Die Energie kann Prozessoren, Sendeeinrichtungen und Sensoren versorgen.

Anwendungen energieeffizienter machen

Viele Anwendungen, für die eine dezentrale Versorgung interessant ist, arbeiten nicht kontinuierlich. Es reicht aus, wenn sie Messungen im Abstand von einigen hundert Millisekunden oder gar Sekunden wiederholen. So wird der Einsatz von Energy-Harvesting-Generatoren für Anwendungen möglich, die deutlich mehr Energie brauchen, als der Generator in derselben Zeit erzeugt. Die PMICs sammeln die Energie vom Nanogenerator in einem Speicher und geben sie erst frei, wenn genügend Energie für den Rest des Systems zur Verfügung steht. Dann kann die Anwendung ihre Aufgabe für eine gewisse Zeit erfüllen, bevor der Speicher entleert ist und der PMIC eine weitere Entnahme verweigert.

Ein stark vereinfachtes Beispiel: Eine Anwendung benötigt für die ihr zugedachte Aufgabe 500 µW Leistung und braucht dafür 100 ms Zeit. Der Nanogenerator liefert kontinuierlich 200 µW. Die Anwendung braucht also 50 µJ Energie während der Nanogenerator nur 20 µJ in derselben Zeit liefert. Der PMIC muss erst 250 ms lang Energie speichern, kann dann die Entnahme für 100 ms freigeben und muss daraufhin die Energie wieder für 150 ms sperren bevor die Anwendung wieder arbeiten kann.

Nanogeneratoren im Alltag

In einer Zeit, in der immer mehr Menschen ihr Smartphone vielseitig einsetzen, steigt der Bedarf an zusätzlichen Informationen zu einem Raum in dem sich der Nutzer aufhält oder über ein Objekt, das sich dieser gerade ansieht. Um dies zu bedienen, wurde das iBeacon definiert. Spansion arbeitet unter anderem mit DNP an einem Projekt, das iBeacons mit Spansions PMIC-Technologie in Einkaufszentren einsetzt. Dadurch ist es den Betreibern von Einkaufszentren möglich, auf den Kunden zugeschnittene Angebote auf dessen Smartphone zu schicken. Diese meist nur streichholzschachtelgroßen Geräte senden ständig ihre Identifizierungskennung per Bluetooth Low Energy an die Umgebung. Ein Smartphone kann sich so mit ihnen verbinden und Sensordaten oder andere Daten erhalten, die der Betreiber via iBeacons zur Verfügung stellen möchte.

Dem iBeacon genügt eine kleine Solarzelle, um aus dem Kaufhauslicht genügend Energie zu sammeln, mit dem es seine Daten ständig via Bluetooth Low Energy aussendet.Spansion

Bisher werden diese iBeacons von Batterien mit einer Lebensdauer von zirka einem Jahr versorgt. Danach muss der Betreiber die Batterie oder das ganze Gerät auswechseln. Das bedeutet einen erheblichen Aufwand, der die Betriebskosten stark beeinträchtigt. Werden die iBeacons jedoch mit Solarzellen und PMIC ausgestattet, reicht die Kaufhausbeleuchtung für den vollen Funktionsumfang aus und es entstehen keine weiteren Kosten.

Hier setzt Spansion mit einem Demonstrationsgerät zum iBeacon an. Dieses wird mit einem Multi-Zell-Solarpaneel betrieben, das an einen MB39C811 angeschlossen ist. Die Beispielschaltung verwendet nur einen der beiden Eingänge des Abwärtswandlers. Das Solarpaneel liefert eine Spannung von etwa 4 bis 5 V. Das verwendete BLE-Modul benötigt 3,3 V. Der MB39C811 wandelt die Spannung des Generators in 3,3 V um und steuert mit seinem Power-Good-Signal einen Transistor, der dem BLE-Modul die Spannung zuführt oder sperrt, wenn nicht genügend Energie zur Verfügung steht.

Energie aus Vibrationen gewinnen

Neben den iBeacons in Kaufhäusern, Museen und Stadien gibt es viele weitere Bereiche, die durch PMICs profitieren. In einem Feldversuch testet eine japanische Eisenbahngesellschaft die Möglichkeit, die Fahrwerke ihrer Züge mit Sensoren auszustatten, die durch Energy-Harvesting-Generatoren von Spansion betrieben werden.

Versorgt wird das Sensorsystem sowohl mit Piezo-Elementen, die die Vibrationsenergie der Zugachsen in elektrische Energie umwandeln, als auch mit einer Batterie zur Überbrückung, wenn der Zug steht. Das Energy-Harvesting-PMIC MB39C811 wandelt die Energie beider Quellen in eine konstante Spannung für das Sensorsystem. Spansion hat den Abwärtswandler MB39C811 speziell für Energy-Harvesting-Aufgaben entwickelt. Mit seinen zwei Eingängen ist er für Anwendungen mit Hybridversorgung – Nanogenerator und Batterie – entworfen. Vom Piezo-Generator kommt eine Wechselspannung von über 10 V. Von der Batterie kommt eine Gleichspannung von unter 10 V. Durch die Doppel-Eingangsstufe wird auf die Batterie zurückgegriffen, wenn der Piezo-Generator keine Energie liefert. Das PMIC stellt so sicher, dass das Sensorsystem mit kontinuierlicher Stromversorgung arbeitet und zuverlässige Messungen gewährleistet.

Mittels Zigbee übermittelt das Sensorsystem seine Messwerte an ein Gerät im Inneren des Zuges. Dieses vergleicht die aufgenommenen Messwerte mit bekannten Sollwerten und gibt bei Abweichungen einen Alarm an den Lokführer aus. Eine zusätzliche Verkabelung ist nicht nötig und der Bahn-Betreiber muss den Zug nicht aus dem Verkehr nehmen, um ihn nachträglich mit diesem Sensorsystem auszustatten.

Die Grenzen der Technologie

Die Erprobung der PMICs in Verbindung mit Nanogeneratoren hat gezeigt, dass das Umrüsten auf eine Energy-Harvesting-Technologie nicht immer sinnvoll ist. Mit einem Distributor hat Spansion eine batterielose Lösung für ein Heizkostenmessgerät entwickelt. Der Wärmezähler übermittelt Daten per Funk an Empfängergeräte. Das erwünschte Ergebnis ist eine präzise Abrechnung der Energiekosten für einen Haushalt.

Wer Energy Harvesting in eigenen Applikationen einführen möchte, kann zum Beispiel mit dem Evaluationboard MB39C831-EVB-02 prüfen, ob die verfügbare Energie ausreicht.Spansion

Hier kann der Aufwärtswandler MB39C831 mit Peltier-Elementen zum Einsatz kommen. Die Peltier-Elemente wandeln die Temperaturdifferenz zwischen Heizkörper und Umgebung in eine Spannung von etwa 0,4 V. Der MB39C831 macht daraus die von der Anwendung benötigten 3,3 V. Die Energie wird in einem Elektrolytkondensator gespeichert und über einen Transistor, gesteuert durch ein Power-Good-Signal, an Sensoren und MCU gegeben.

Im Laborversuch hat das Demonstrationsgerät mit Nanogeneratoren gute Ergebnisse erzielt. Im Vergleich zu Geräten mit Batterien zeigen sich aber kaum Verbesserungen. Bereits heute haben Heizkostenmessgeräte mit Batterien eine Betriebszeit von rund zehn Jahren. Zwar wären die Systeme mit Nanogeneratoren für eine längere Zeit wartungsfrei einsetzbar, werden aber meist sowieso nach zirka zehn Jahren ausgetauscht. Daher sind Unternehmen selten bereit Mehrkosten für die Peltier-Elemente zu tragen.

Viele sinnvolle Anwendungen

Energy Harvesting ist vielseitig einsetzbar und wird in Zukunft die Entwicklung des Internets der Dinge positiv beeinflussen. Vorteile ergeben sich dabei für große Unternehmen und auch für den Endverbraucher. Unternehmen können Kosten für Wartung, Ausrüstung und Entsorgung nachhaltig senken und müssen diese nicht mehr an ihre Endkunden weitergeben. Auch wächst die Nachfrage nach nachhaltiger und umweltfreundlicher Energie. Damit darf Energy Harvesting auch als Marken- und Qualitätszeichen gelten.

(lei)