Wie und wann man Energy Harvesting zur Stromversorgung des massiven IoT einsetzt

Die Einführung von 5G führt zu einer explosionsartigen Zunahme von drahtlosen Sensornetzwerken für Industrie 4.0, intelligente Logistik, intelligente Städte, intelligente Landwirtschaft und andere massive IoT-Anwendungen. Dabei bietet sich den Entwicklern die einmalige Gelegenheit, viele Aspekte von Netzarchitekturen zu überdenken, einschließlich neuer Paradigmen für die Energieversorgung.

Die Bereitstellung einer skalierbaren und zuverlässigen Stromversorgung für Milliarden von drahtlosen Knoten ist ein schwieriges Problem. Wenn keine Lösung gefunden wird, wird die Einführung des massiven IoT behindert werden. Es reicht nicht aus, einfach mehr Batterien zu verwenden. Batterien werden in immer mehr Fällen ergänzt oder abgeschafft werden müssen. An ihrer Stelle werden verschiedene Formen des Energy Harvesting (EH) erforderlich sein, um große Teile des massiven IoT mit Strom zu versorgen. Zum Glück für die Entwickler haben sich die EH-Technologien weiterentwickelt, was sie zu einer immer attraktiveren Alternative für die Stromversorgung großer IoT-Geräte macht.

Dieser Blog gibt einen kurzen Überblick über die Herausforderungen, die sich bei der Stromversorgung von Milliarden von drahtlosen IoT-Knoten ergeben, sowie über einige Faktoren, die bei der Entscheidung, ob EH eine praktikable Lösung darstellen kann, zu berücksichtigen sind. Anschließend werden für das Energy Harvesting entwickelte Energiemanagement-ICs von EM Microelectronic und Nowi sowie Entwicklungsumgebungen zur schnelleren Evaluierung von EH im massiven IoT vorgestellt.

Bei der Entscheidung, wie massive IoT-Knoten mit Strom versorgt werden sollen, sind fünf Faktoren zu berücksichtigen:

• Datenrate
• Reichweite der Übertragung
• Latenz
• Betriebsumgebung
• Auswirkungen auf die Umwelt und Management/Logistik

Die Datenrate, die Reichweite und die Latenzzeit wirken sich auf den Spitzen- und Durchschnittsstrombedarf des Knotens aus und hängen von dem verwendeten drahtlosen Kommunikationsprotokoll ab. Bei der Verwendung von Bluetooth Low Energy kann beispielsweise ein 10 cm großes, quadratisches Photovoltaik-Panel (PV) die regelmäßige Übertragung von Datenpaketen ungefähr unterstützen:

• Alle 100 Millisekunden (ms) bei den in Einzelhandelsgeschäften üblichen Beleuchtungsstärken
• Alle 200 ms bei Beleuchtungsstärken in typischen Büroumgebungen
• Alle 2 Sekunden (s) bei Beleuchtungsstärken wie in Lagerhäusern und Fabriken

Auch die Betriebsumgebung wirkt sich auf die Eignung und die Kosten der Batterien aus. In relativ unbedenklichen Umgebungen wie Einzelhandelsgeschäften oder Büros können weniger teure Batterien eine angemessene Betriebsdauer bieten. EH wäre daher im Vergleich relativ kostspielig. Wenn der drahtlose Knoten in einer rauen Industrie- oder Außenumgebung eingesetzt wird, ist eine teurere Batteriechemie erforderlich, wodurch EH attraktiver wird.

Auch die Auswirkungen auf die Umwelt und Fragen des Managements spielen eine Rolle. Primärbatterien haben eine begrenzte Lebensdauer, was die Anzahl der erforderlichen Batteriewechsel erhöht, die Wartungs- und Verwaltungs-/Logistikkosten in die Höhe treibt und die Umwelt durch die Batterieentsorgung belastet. Um diese zahlreichen Probleme zu lösen, können Entwickler aus mehreren alternativen EH-fähigen Stromversorgungsarchitekturen wählen:

• Primärbatterieleistung mit zusätzlicher EH zur Verlängerung der Batterielebensdauer, wobei die Vorteile der Batterieleistung erhalten bleiben und die negativen Auswirkungen reduziert werden
• Wiederaufladbare Batterie kombiniert mit EH für eine längere Lebensdauer und ohne Batteriewechsel
• Kondensatoren oder Superkondensatoren in Kombination mit EH für ein batterieloses System und die längste Lebensdauer

EH-Controller und Energiemanagement-IC

Für Anwendungen, die von einem kombinierten Energiemanagement-IC (PMIC) und EH-Controller profitieren können, können sich Entwickler an den EM8500 von EM Microelectronic wenden. Dieser PMIC bietet eine Nachführung des maximalen Leistungspunktes (Maximum Power Point Tracking, MPPT) für die EH-Quelle und vier unabhängige Ausgangsspannungen für verschiedene Systemfunktionen (Abbildung 1). Es kann an eine Vielzahl von EH-Technologien angeschlossen werden, darunter thermische Stromgeneratoren (TEG) und PV-Zellen im Mikrowatt- (µW) bis Milliwattbereich (mW). Der EM8500 kann in Kombination mit Primär- oder Sekundärbatterien, herkömmlichen Kondensatoren oder Superkondensatoren verwendet werden. Das Modell EM8500-A001-LF24B+ ist in einem 4 mm x 4 mm großen 24-Pin-QFN-Gehäuse untergebracht.

Abbildung 1: Der PMIC EM8500 umfasst MPPT für die EH-Quelle und liefert vier Ausgangsspannungen für das System. (Bildquelle: EM Microelectronic)

Entwicklungskit EM8500

Entwickler können das Entwicklungskit EMDVK8500 verwenden, um den EM8500 zu konfigurieren und zu evaluieren (Abbildung 2). Dieses Entwicklungskit enthält die Software, die zur Konfiguration des EM8500 erforderlich ist, sowie die Tools zur Messung der Performance der resultierenden Lösung.

Abbildung 2: Das EMDVK8500 kann den PMIC EM8500 konfigurieren und die Performance der resultierenden Lösung messen. (Bildquelle: EM Microelectronic)

EH-Controller-IC und Evaluierungsboard

Für Designs, die keine komplette Energiemanagementlösung erfordern, ist der NH2D0245 von Nowi ein kompakter, leistungsstarker EH-Controller mit MPPT für Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme in einem 16-poligen, 3 mm × 3 mm großen QFN-Gehäuse (Abbildung 3). Der NH2D0245 kann mit verschiedenen Stromquellen, einschließlich PV, induktiven und piezoelektrischen, sowie mit Energiespeichern wie wiederaufladbaren Batterien oder Superkondensatoren verwendet werden. Der MPPT-Algorithmus arbeitet unabhängig vom jeweiligen Harvester und kann den Punkt maximaler Leistung in einem Intervall von 1 s erkennen, wodurch die Effizienz in dynamischen Umgebungen maximiert wird.

Abbildung 3: Der EH-Controller NH2D0245 verfügt über MPPT und ist in einem winzigen 3 mm x 3 mm großen QFN-Gehäuse untergebracht. (Bildquelle: Nowi)

Das Evaluierungsboard NH2D0245 wurde entwickelt, um das Testen der Performance und der Funktionen des NH2D0245 zu beschleunigen (Abbildung 4). Für die Verwendung dieses Evaluierungsboards werden ein Energy Harvester, eine Batterie oder ein Superkondensator und ein Multimeter benötigt. Wenn ein EH mit Wechselstromausgang (AC) wie ein piezoelektrischer Harvester verwendet wird, muss ein Gleichrichter zwischen dem EH und dem Gleichstromeingang (DC) des Evaluierungsboards geschaltet werden.

Abbildung 4: Mit dem Evaluierungsboard NH2D0245 lassen sich die Funktionen und die Performance des EH-Controllers schneller testen. (Bildquelle: Nowi)

Fazit

Die Einführung des massiven IoT, das durch 5G ermöglicht wird, wird die Entwickler vor spannende Herausforderungen stellen und ihnen die Möglichkeit geben, die Art und Weise, wie drahtlose Knoten mit Strom versorgt werden, zu überdenken. Um die optimale Stromversorgungsarchitektur für jede Anwendung zu bestimmen, müssen eine Reihe von technischen, ökologischen und wirtschaftlichen Faktoren berücksichtigt werden. Es wird notwendig sein, eine Vielzahl von EH-basierten Ansätzen zu verwenden, um die Fähigkeiten von Batterien zu verbessern. In vielen Fällen werden EH mit Primär- oder Sekundärbatterien, herkömmlichen Kondensatoren oder Superkondensatoren kombiniert.