Längere Batterielebensdauer für IoT-Sensorknoten durch Energy Harvesting

Um Daten von entfernten Standorten erfassen zu können, müssen für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) entwickelte Sensorknoten möglichst lange mit einer einzigen Batterieladung auskommen. In einer idealen Welt bedürfte es gar keiner Batterie, da sie die Systemverwaltung stark verkompliziert und teure Vor-Ort-Besuche an schwierig erreichbaren Stellen erforderlich macht.

Stattdessen würde das System die Energie aus seiner Umgebung beziehen – per Photovoltaik, HF-Energie, Druck und Wärme-, Luft- oder Flüssigkeitsströmung. So könnte z. B. ein Wasserzähler vom Prinzip her versorgungsunabhängig arbeiten und seine Energie aus dem Medium beziehen, das er messen soll. Ein in Wandmontage angebrachter Sensor könnte die Energie aus dem Licht „ernten“, das auf seine Oberfläche fällt.

In der Praxis ist jedoch die Energieeffizienz von elektronischen Sensorsystemen viel zu niedrig, als dass sie gänzlich mit der Energie betrieben werden könnten, die sie aus ihrer Umgebung gewinnen. Allerdings ist es möglich, die Ladungsdauer einer langlebigen Batterie zu verlängern, indem möglichst viel Umgebungsenergie genutzt wird, obwohl das ein komplizierteres Systemdesign nach sich zieht.

Ein Schlüsselproblem besteht darin, dass die Leistung nur schwer zu gewinnen ist, da sie entweder mit sehr niedriger Spannung vorkommt oder aber mit sehr hoher Spannung und komplexen Phasenproblemen. Daher sind Spezialverfahren nötig, um die Eingaben nutzen zu können, etwa die Integration von Aufwärtswandlern, die mit den niedervoltigen und hochimpedanten Quellen umgehen können, die viele Harvesting-Module dem System präsentieren. Außerdem kann durch Schaltungen wie Aufwärtswandler hochfrequentes Rauschen entstehen, das den Funkverkehr unterbrechen kann. Das System muss auch diesen Situationen gewachsen sein.

Eine weitere Anforderung, insbesondere im Fall von Photovoltaik und thermoelektrischen Generatoren, ist die Unterstützung von Maximum Power Point Tracking (MPPT). Jedes Photovoltaikmodul weist eine charakteristische Strom-Spannungs-Kurve (IV-Kurve) auf, die nicht nur vom einfallenden Licht abhängt, sondern auch von der Temperatur. Diese Kurve legt die Spannung fest, bei der das Maximum beim Energy Harvesting erzielt werden kann. Jede Abweichung von dieser Spannung kann den gewonnenen Strom und damit die Energie verringern.

Abbildung 1: IV-Kurve für einen Photovoltaik-Harvester.

Auch die Temperatur wirkt sich auf den maximalen Ausgangswirkungsgrad eines Moduls aus. Hohe Temperaturen bewirken ein Abfallen der Ausgangsspannung des Moduls. Deshalb kann es bei Photovoltaikmodulen selbst in Phasen intensiver Sonneneinstrahlung – in denen der Wirkungsgrad eigentlich Spitzenwerte erreichen sollte – zu einem Abfall der Wandlungseffizienz kommen, wenn die elektronische Schaltung nicht für eine Kompensierung des damit einhergehenden Spannungsabfalls sorgt. Mit MPPT kann die Leistungswandlungselektronik Änderungen der Bedingungen verfolgen und sicherstellen, dass stets die optimale Spannung ausgewählt wird. Die Verschiebung des maximalen Leistungspunkts durch Änderung der Beleuchtungsverhältnisse ist zum Glück nur relativ gering, sodass die MPPT-Steuerschaltung nur einen relativ kleinen Teil der IV-Kurve analysieren muss.

Piezoelektrische Harvester zeigen ein anderes Verhalten, das jedoch vergleichbar ist: Die Leerlaufspannung ist in etwa umgekehrt proportional zum Kurzschlussstrom. Piezoelektrische Elemente können in Reihe oder parallel geschaltet werden, um den gewünschten Spannungsbereich beim Harvesting zu erzielen. Ihre maximale Leistung erreichen Piezoelektrik-Harvester, wenn sie bei ungefähr halber Leerlaufspannung arbeiten.

Abbildung 2:  IV-Kurve für einen Piezoelektrik-Harvester

Eine weitere Überlegung auf Systemebene ist ein möglichst effizientes Management der gewonnenen Energie, um sicherzustellen, dass die Batterie nicht versehentlich überladen wird und dass der Verarbeitungsaufwand zur Erfassung und Speicherung der Energie in Joule nicht die Energiemenge übersteigt, die letztlich gespeichert werden kann. In sehr vielen Fällen kann es sinnvoll sein, eine Batterie mit einem Superkondensator zu kombinieren, um den Problemen beim Laden aus einer unzuverlässigen Quelle aus dem Weg zu gehen.

Obwohl sich Superkondensatoren prinzipiell einfacher steuern lassen als eine aufladbare Batterie, werden diese aufgrund ihrer geringen Spannung oft in Reihe geschaltet, um eine zu gängiger Systemelektronik passende Spannung zu erreichen. Bei in Reihe geschalteten Superkondensatoren ist die Spannungsverteilung im gesamten Stack anfänglich eine Funktion der Kapazität. Wird der Stack jedoch über einen längeren Zeitraum auf derselben Spannung gehalten, verschiebt sich die Spannungsverteilung und wird aufgrund von Kriechstromeffekten zu einer Funktion des internen Parallelwiderstands.

Ein Designansatz zur Verringerung der Spannungsverschiebung infolge des Kriechstroms besteht in der Platzierung eines Widerstands parallel zu jedem Superkondensatorbaustein. Dadurch steigt jedoch der Energieverlust, was bei Energy-Harvesting-Designs alles andere als erwünscht ist. Eine effizientere Antwort bietet hier das aktive Superkondensator-Balancing – eines der Merkmale, das in Linear Technology's LTC3331 implementiert ist. Der LTC3331 gehört zu einer ganzen Reihe von Bausteinen, die speziell zur Lösung der Probleme entwickelt wurden, die sich aus der Kombination von Batterie und Energy Harvesting ergeben. Mit ihrer Verfügbarkeit müssen Systemdesigner nur noch im geringeren Umfang diskrete Lösungen einsetzen.

Abbildung 3: Typische Anwendung für den LTC3331, rechts ist der Superkondensator-Balancer-Anschluss zu sehen.

Der aktive Superkondensator-Balancer im LTC3331 arbeitet über das BAL-Pin mit zwei Bausteinen zusammen. Der Controller des LTC3331 führt eine aktive Überwachung und Absenkung auf 10 mA durch, um die Spannung am BAL-Pin auf die Hälfte der Ausgangsspannung des Bausteins zu regeln. Der Balancer verbraucht 150 nA. Wenn kein Balancing erforderlich ist oder in der Anwendung zu viel Energie verbraucht, kann es deaktiviert und der Ruhestrom auf null abgesenkt werden, indem das BAL-Pin zusammen mit SCAP auf Masse gelegt wird, das im aktiven Zustand normalerweise mit Vout verbunden ist.

Das Herzstück von Designs wie dem LTC3331 ist ein DC/DC-Aufwärts- oder -Abwärts-Aufwärtswandler, der für den Betrieb mit gängigen Energy Harvestern konzipiert ist. Dieser Wandler ist mit Steuerelektronik verbunden, die tätig wird, wenn der Aufwärtswandler aktiv ist. Der Controller kann auch die MPPT-Berechnungen durchführen. Der LTC3331 arbeitet beispielsweise mit Piezoelektrik- und Photovoltaikquellen zusammen und eignet sich für den Einsatz in Drahtlossystemen, wo der durchschnittliche Energieverbrauch sehr gering ist, jedoch höhere Energiemengen benötigt werden, wenn die Daten zu einem Hub oder Gateway übertragen werden müssen. Dabei wird Energie aus dem Superkondensator und potenziell auch aus der Batterie bezogen – je nachdem, wie viel Energie seit dem letzten Kommunikationsvorgang geerntet wurde.

Wenn beim LTC3331 erntefähige Energie verfügbar ist, wird diese über einen Brückengleichrichter übertragen, wo sie in einem Eingangskondensator akkumuliert wird. Ein Schaltkreis zur Unterspannungsabschaltung mit niedrigem Ruhestrom ermöglicht den Spannungsanstieg im Kondensator bis zu einem programmierten Schwellenwert. Sobald dieser Schwellenwert überschritten ist, wird der Abwärtswandler aktiviert, der die Energie zur Ausgangsschiene überträgt. Fällt die Spannung in dem Eingangskondensator unter einen Abfallschwellenwert ab – der üblicherweise auf einen anderen Punkt als der Anstiegsschwellenwert eingestellt ist, um unerwünschte Oszillation zu vermeiden –, wird der Abwärtswandler deaktiviert und der Abwärts-Aufwärtswandler aktiviert, um die Last aus dem Batterieeingang zu versorgen, obwohl weiter Energie in den Superkodensator geerntet werden kann.

Der ADP5090 von Analog Devices bietet einen Aufwärtswandler für niedervoltige Thermoelektrik- und Solarquellen und kann mit Spannungen ab 380 mV betrieben werden. Er enthält eine Schnittstelle zu einer Backup-Batterie bzw. einem Superkondensator und bietet außerdem MPPT-Unterstützung.

Abbildung 4: Anwendungsdiagramm für den ADP5090 mit dem Kondensatoranschluss zur Speicherung der MPPT-Einstellungen (CBP) auf der linken Seite.

Die MPPT-Steuerung wird mithilfe eines externen Kondensators gewährleistet, bei dessen Auswahl auf einen niedrigen Kriechstrom zu achten ist, da der Harvester-Eingang ungefähr alle 19 Sekunden durch die Steuerschaltung abgetastet wird. Fällt die Kondensatorspannung ab, verringert die Schaltung die Wirksamkeit des MPPT-Controllers. 10 nF X7R- oder C0G-Keramikkondensatoren mit niedrigem Kriechstrom bieten hierfür ein ausreichendes Leistungsniveau. Zur Unterstützung sehr niedriger Harvesting-Spannungen enthält der ADP5090 eine Ladungspumpe, um das Starten des Aufwärtswandlers bereits ab sehr niedrigen Eingangsspannungen zu ermöglichen. Durch eine zusätzliche Schaltung wird überprüft, ob die Spannung so niedrig ist, dass der Betrieb des Aufwärtswandlers beim Versuch, die verfügbare Energie zu ernten, tatsächlich zu einer Entladung der Batterie führen würde.

Für Drahtlosanwendungen, deren HF-Elektronik insbesondere im Niederleistungsbetrieb mitunter sehr rauschempfindlich ist, kann der Aufwärtsschaltwandler durch externe Software- oder Hardwaresteuerung vorübergehend angehalten werden, indem das DIS_SW-Pin auf „high“ gesetzt wird.

Eine weitere Option ist der bq25504 von Texas Instruments. Der Baustein ist über einen vom Energy Harvester bereitgestellten Eingang von 330 mV kaltstartfähig und unterstützt bei laufendem Betrieb Spannungen ab 80 mV. Dieser Eingang speist einen Aufwärtswandler, der mit einem Ruhestrom von 330 nA arbeitet. Obwohl der bq25504 keine direkte Steuerung für eine Backup-Batterie enthält, überwacht er die Maximal- und Minimalspannungen in Bezug auf benutzerprogrammierbare Unterspannungs- und Überspannungsbedingungen, um eine Beschädigung des Speicherelements zu verhindern. Um das Energiemanagement zu unterstützen, steuert der Baustein ein „Batterie gut“-Flag, um einem angeschlossenen Mikroprozessor zu signalisieren, wenn die Spannung an einer Batterie oder einem Kondensator zur Energiespeicherung unter einen voreingestellten kritischen Wert abgefallen ist. Das soll den Abwurf der Lastströme auslösen, um zu verhindern, dass das System in einen Unterspannungszustand gerät.

Durch Bereitstellung einer Möglichkeit, Batteriestrom und per Harvesting gewonnenen Strom zu mischen, erleichtern Lösungen wie der LTC3331, der ADP5090 und der bq2504 die Implementierung von IoT-Sensorknoten, die mit nur einer Batterieladung sehr lange betriebsfähig sind.