Diarmuid Carey, zentraler Anwendungsingenieur

Dieser Artikel untersucht die Batterietechnologie für das Internet der Dinge (IoT). Beschreibt einige der Probleme, mit denen Designer bei der Stromversorgung konfrontiert sind, und bietet Lösungen von Analog Devices. Diese Lösungen sind hocheffizient und können dazu beitragen, andere Probleme mit Ihren IoT-Geräten einzudämmen, einschließlich Größe, Gewicht und Temperatur.

Mit dem zunehmenden Einsatz von IoT-Geräten in Industrieanlagen, Heimautomatisierung und medizinischen Anwendungen steigt der Druck, den Energieverwaltungsteil dieser Geräte zu optimieren, sei es durch einen kleineren Formfaktor, eine bessere Effizienz, eine bessere Stromaufnahme oder schnellere Ladezeiten ( für tragbare IoT-Geräte). All dies muss in einem kleinen Formfaktor erreicht werden, der die Thermik nicht nachteilig beeinflusst oder die von diesen Geräten implementierte drahtlose Kommunikation stört.

Was ist IoT?

Dieser spezielle IoT-Anwendungsbereich tritt in vielen verschiedenen Erscheinungsformen auf. Es bezieht sich typischerweise auf ein batteriebetriebenes, netzgekoppeltes intelligentes elektronisches Gerät, das vorberechnete Daten an eine Cloud-basierte Infrastruktur sendet. Es verwendet eine Mischung aus eingebetteten Systemen wie Prozessoren, Kommunikations-ICs und Sensoren, um Daten zu sammeln, zu beantworten und an einen zentralen Punkt oder anderen Knoten im Netzwerk zu senden. Dies kann alles sein, von einem einfachen Temperatursensor, der Informationen zur Umgebungstemperatur an einen zentralen Überwachungsbereich sendet, bis hin zu einem Maschinenzustandsmonitor, der den langfristigen Zustand sehr teurer Fabrikanlagen überwacht.

In letzter Zeit werden diese Geräte entwickelt, um eine bestimmte Herausforderung zu lösen, sei es zur Automatisierung von Aufgaben, die normalerweise menschliches Eingreifen erfordern würden, wie z. B. Haus- oder Gebäudeautomatisierung, oder vielleicht zur Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit und Langlebigkeit von Geräten im Fall von industriellen IoT-Anwendungen , oder sogar um die Sicherheit zu verbessern, wenn zustandsbasierte Überwachungsanwendungen in Betracht gezogen werden, die in strukturbasierten Anwendungen wie Brücken eingesetzt werden.

Beispiele für Anwendungen

Die Anwendungsbereiche für IoT-Geräte sind nahezu endlos, da täglich an neue Geräte und Anwendungsfälle gedacht wird. Anwendungen, die auf intelligenten Sendern basieren, sammeln Daten über die Umgebung, in der sie sitzen, um Entscheidungen über die Wärmeregelung, die Aktivierung von Alarmen oder die Automatisierung bestimmter Aufgaben zu treffen. Darüber hinaus liefern tragbare Instrumente wie Gaszähler und Luftqualitätsmesssysteme genaue Messungen über die Cloud an ein Kontrollzentrum. GPS-Ortungssysteme sind eine weitere Anwendung. Sie ermöglichen die Verfolgung von Schiffscontainern sowie Nutztieren wie Kühen über intelligente Ohrmarken. Diese umfassen nur einen kleinen Bereich von Cloud-verbundenen Geräten. Andere Bereiche umfassen tragbare Sensoranwendungen im Gesundheitswesen und in der Infrastruktur.

Ein bedeutender Wachstumsbereich sind industrielle IoT-Anwendungen, die Teil der vierten industriellen Revolution sind, bei der intelligente Fabriken im Mittelpunkt stehen. In letzter Zeit gibt es eine breite Palette von IoT-Anwendungen, die versuchen, so viel wie möglich von der Fabrik zu automatisieren, sei es durch den Einsatz von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTS), intelligenten Sensoren wie RF-Tags oder Manometern oder anderen Umgebungssensoren, die in der Fabrik platziert sind .

Aus Sicht von ADI lag der IoT-Fokus auf oberster Ebene auf fünf Hauptbereichen:

• Smart Health: Unterstützt Anwendungen zur Überwachung der Vitalfunktionen sowohl auf klinischer als auch auf Verbraucherebene.
• Intelligente Fabriken: Konzentrieren Sie sich auf den Aufbau von Industrie 4.0, indem Sie Fabriken reaktionsfähiger, flexibler und effizienter machen.
• Smart Buildings/Smart Cities: Verwendet Smart Sensing für Gebäudesicherheit, Parkplatzbelegungserkennung sowie thermische und elektrische Steuerung.
• Smart Farming: Verwendet verfügbare Technologie, um eine automatisierte Landwirtschaft und eine effiziente Ressourcennutzung zu ermöglichen.
• Intelligente Infrastruktur: Basierend auf unserer zustandsbasierten Überwachungstechnologie zur Überwachung von Bewegung und strukturellem Zustand.

Weitere Informationen zu diesen Schwerpunktbereichen und den verfügbaren Technologien zu ihrer Unterstützung finden Sie auf der Website von Analog Devices.

IoT-Design-Herausforderungen

Was sind die wichtigsten Herausforderungen, denen sich ein Designer im ständig wachsenden IoT-Anwendungsbereich stellen muss? Die meisten dieser Geräte oder Knoten werden nach dem Bau oder in schwer zugänglichen Bereichen installiert, sodass eine Stromversorgung für sie nicht möglich ist. Dies bedeutet natürlich, dass sie als Energiequelle vollständig auf Batterien und/oder Power Harvesting angewiesen sind.

Das Bewegen von Energie in großen Anlagen kann ziemlich teuer sein. Betrachten Sie beispielsweise die Stromversorgung eines entfernten IoT-Knotens in einer Fabrik. Die Idee, ein neues Stromkabel zu verlegen, um dieses Gerät mit Strom zu versorgen, ist teuer und zeitaufwändig, so dass im Wesentlichen Batteriestrom oder Power Harvesting als verbleibende Optionen für die Stromversorgung dieser Remote-Knoten übrig bleiben.

Die Abhängigkeit von Batterieleistung führt zu der Notwendigkeit, ein strenges Energiebudget einzuhalten, um sicherzustellen, dass die Batterielebensdauer maximiert wird, was sich natürlich auf die Gesamtkosten des Geräts auswirkt. Ein weiterer Nachteil der Verwendung der Batterie ist die Notwendigkeit, die Batterie nach Ablauf ihrer Nutzungsdauer auszutauschen. Dazu gehören nicht nur die Kosten für die Batterie selbst, sondern auch die hohen Kosten menschlicher Arbeit, um die alte Batterie auszutauschen und möglicherweise zu entsorgen.

Eine zusätzliche Überlegung in Bezug auf Batteriekosten und -größe: Es ist sehr einfach, die Batterie zu überdimensionieren, um sicherzustellen, dass genügend Kapazität vorhanden ist, um die erforderliche Lebensdauer zu erreichen, die oft mehr als 10 Jahre beträgt. Overdesign führt jedoch zu zusätzlichen Kosten und Größen, daher ist es äußerst wichtig, nicht nur das Energiebudget zu optimieren, sondern auch den Stromverbrauch zu minimieren, wo immer möglich, um die kleinstmögliche Batterie zu installieren, die immer noch Ihren Anforderungen entspricht.

Macht im IoT

Für die Zwecke dieser Stromversorgungsdiskussion können Stromquellen für IoT-Anwendungen als drei Szenarien betrachtet werden:

• Geräte, die auf nicht wiederaufladbare Batterieleistung (Primärbatterie) angewiesen sind.
• Geräte, die wiederaufladbare Batterien benötigen.
• Geräte, die Energy Harvesting verwenden, um das System mit Strom zu versorgen.

Diese Schriftarten können einzeln verwendet oder alternativ kombiniert werden, wenn es die Anwendung erfordert.

Primäre Batterieanwendungen

Sie alle kennen die verschiedenen Primärbatterieanwendungen, die auch als nicht wiederaufladbare Batterieanwendungen bekannt sind. Diese sind auf Anwendungen ausgerichtet, bei denen nur gelegentlich Strom verbraucht wird, was bedeutet, dass sich das Gerät gelegentlich einschaltet, bevor es in einen Tiefschlafmodus zurückkehrt, in dem es nur minimal Strom verbraucht. Der Hauptvorteil ihrer Verwendung als Stromquelle besteht darin, dass sie eine hohe Energiedichte und ein einfacheres Design bieten, da keine Batterielade-/Managementschaltungen untergebracht werden müssen, sowie niedrigere Kosten, da die Batterien billiger und weniger Elektronik sind erforderlich. Sie eignen sich gut für kostengünstige Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, aber da diese Batterien eine begrenzte Lebensdauer haben, sind sie nicht für Anwendungen geeignet, bei denen der Stromverbrauch etwas höher ist, so dass dies ebenso viel kostet wie für eine Ersatzbatterie und für die Kosten des Servicetechnikers, der zum Austausch der Batterien erforderlich ist.

Stellen Sie sich eine große IoT-Installation mit vielen Knoten vor. Wenn Sie einen Techniker vor Ort haben, der die Batterie für ein Gerät austauscht, werden sehr oft alle Batterien auf einmal ausgetauscht, um Arbeitskosten zu sparen. Das ist natürlich verschwenderisch und trägt nur zu unserem globalen Abfallproblem bei. Hinzu kommt, dass nicht wiederaufladbare Batterien nur etwa 2 % der Energie liefern, die zu ihrer Herstellung benötigt wird. ~98 % der verschwendeten Energie machen sie zu einer sehr unwirtschaftlichen Energiequelle.

Offensichtlich haben diese einen Platz in IoT-basierten Anwendungen. Ihre relativ niedrigen Anschaffungskosten machen sie ideal für Anwendungen mit geringerer Leistung. Es gibt viele verschiedene Typen und Größen, und da sie nicht viel zusätzliche Elektronik zum Laden oder Verwalten benötigen, sind sie eine einfache Lösung.

Aus gestalterischer Sicht besteht die größte Herausforderung darin, die verfügbare Leistung dieser kleinen Stromquellen optimal zu nutzen. Zu diesem Zweck muss viel Zeit darauf verwendet werden, einen Energiebudgetplan zu erstellen, um sicherzustellen, dass die Batterielebensdauer maximiert wird, wobei 10 Jahre ein übliches Lebensziel sind.

Für Primärbatterieanwendungen sind zwei Teile unserer Familie von Nanopower-Produkten eine Überlegung wert: der Nanopower-Coulomb-Zähler LTC3337 und der Nanopower-Abwärtsregler LTC3336, dargestellt in Abbildung 1.

Der LTC3336 ist ein DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch, der mit einem Eingang von bis zu 15 V und einem programmierbaren maximalen Ausgangsstrompegel betrieben wird. Der Eingang kann bis zu 2,5 V betragen, was ihn ideal für batteriebetriebene Anwendungen macht.

Der Ruhestrom ist mit 65 nA außergewöhnlich niedrig, während er ohne Last regelt. Da DC-DC-Wandler gehen, sind sie ziemlich einfach einzurichten und in einem neuen Design zu verwenden. Die Ausgangsspannung wird basierend darauf programmiert, wie die Pins OUT0 bis OUT3 verbunden sind.

Das Gegenstück zum LTC3336 ist der LTC3337, ein Nanopower-Primärbatterie-Zustandsmonitor und Coulomb-Zähler. Dies ist ein weiteres benutzerfreundliches Gerät in neuem Design: Positionieren Sie die IPK-Pins einfach entsprechend dem maximal erforderlichen Strom, der im Bereich von 5 mA bis 100 mA liegt. Führen Sie einige Berechnungen basierend auf der ausgewählten Batterie durch und platzieren Sie dann den empfohlenen Ausgangskondensator basierend auf dem ausgewählten maximalen Strom, der im Datenblatt angegeben ist.

Dies ist definitiv eine fantastische Gerätepaarung für IoT-Anwendungen mit einem begrenzten Leistungsbudget. Diese Teile können den Stromverbrauch der Primärbatterie genau überwachen und den Ausgang effizient in eine nutzbare Systemspannung umwandeln.

Anwendungen für wiederaufladbare Batterien

Kommen wir zu wiederaufladbaren Anwendungen. Diese sind eine gute Option für IoT-Anwendungen mit höherer Leistung oder höherem Stromverbrauch, bei denen ein häufiger Austausch der Primärbatterie keine Option ist. Eine wiederaufladbare Batterieanwendung ist aufgrund der anfänglichen Kosten der Batterien und der Ladeschaltung eine kostenintensivere Implementierung, aber in Anwendungen mit höherem Energieverbrauch, wo die Batterien häufig erschöpft und geladen werden, sind die Kosten gerechtfertigt und werden bald zurückgezahlt.

Abhängig von der verwendeten Chemie kann eine wiederaufladbare Batterieanwendung eine niedrigere Anfangsenergie als eine Primärzelle haben, aber auf lange Sicht ist dies die effizienteste Option und im Allgemeinen weniger verschwenderisch. Je nach Strombedarf ist eine Speicherung mit Kondensatoren oder Superkondensatoren eine weitere Option, die jedoch eher für die kurzfristige Backup-Speicherung gedacht sind.

Das Laden der Batterie umfasst mehrere verschiedene Modi und spezielle Profile, die von der verwendeten Chemie abhängen. Beispielsweise ist in Abbildung 2 ein Ladeprofil einer Lithium-Ionen-Batterie dargestellt. Unten ist die Batteriespannung und auf der vertikalen Achse der Ladestrom.

Wenn die Batterie stark entladen ist, wie links in Abbildung 2, muss das Ladegerät intelligent genug sein, um sie in den Vorlademodus zu versetzen, um die Batteriespannung langsam auf ein sicheres Niveau zu erhöhen, bevor sie in den Konstantstrommodus wechselt.

Im Konstantstrommodus drückt das Ladegerät den programmierten Strom in die Batterie, bis die Batteriespannung auf die programmierte Erhaltungsspannung ansteigt.

Sowohl der programmierte Strom als auch die Spannung werden durch den verwendeten Akkutyp bestimmt: Der Ladestrom wird durch den begrenzt Kiste und die erforderliche Ladezeit, und die Float-Spannung basiert darauf, was für die Batterie sicher ist. Systemdesigner können die Float-Spannung ein wenig senken, um die Batterielebensdauer zu verlängern, wenn das System dies erfordert, wie bei allem, was mit Strom zu tun hat, geht es nur um Kompromisse.

Wenn die Float-Spannung erreicht ist, fällt der Ladestrom auf Null ab und diese Spannung wird basierend auf dem Terminierungsalgorithmus für eine Zeit gehalten.

Abbildung 3 zeigt ein anderes Diagramm für eine 3-Zellen-Anwendung, das das Verhalten über die Zeit zeigt. Die Batteriespannung wird in Rot und der Ladestrom in Blau angezeigt. Es beginnt im Konstantstrommodus und erreicht ein Maximum von 2 A, bis die Batteriespannung die Konstantspannungsschwelle von 12.6 V erreicht. Das Ladegerät hält diese Spannung für die durch den Beendigungstimer definierte Zeit aufrecht, in diesem Fall ein 4-Stunden-Fenster. Diese Zeit ist in vielen Teilen des Ladegeräts programmierbar.

Für mehr Informationen zum Akkuladen, sowie einige interessante Produkte, empfehle ich den Artikel von Analoger Dialog  "Einfache Batterielade-ICs für jede Chemie"

Abbildung 4 zeigt ein gutes Beispiel für ein vielseitiges Batterieladegerät, das LTC4162, das einen Ladestrom von bis zu 3.2 A liefern kann und für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist, einschließlich tragbarer Instrumente und Anwendungen, die größere Batterien oder mehrzellige Batterien erfordern. Es kann auch zum Aufladen von Solarenergiequellen verwendet werden.

Energy-Harvesting-Anwendungen

Bei der Arbeit mit IoT-Anwendungen und ihren Stromquellen ist eine weitere zu berücksichtigende Option das Power Harvesting. Natürlich gibt es mehrere Überlegungen für den Systemdesigner, aber die Attraktivität von freier Stromversorgung darf nicht unterschätzt werden, insbesondere für Anwendungen, bei denen die Stromanforderungen nicht übermäßig kritisch sind und die Installation freihändig erfolgen muss, d.h. kein Wartungstechniker kann sie erreichen .

Es stehen viele verschiedene Stromquellen zur Auswahl, und Sie müssen kein Outdoor-Anwender sein, um sie zu nutzen. Solarenergie und piezoelektrische oder Vibrationsenergie, thermoelektrische Energie und sogar HF-Energie (obwohl diese einen sehr niedrigen Leistungspegel hat) können geerntet werden.

Abbildung 5 zeigt ein ungefähres Energieniveau bei Verwendung verschiedener Erntemethoden.

Was die Nachteile betrifft, so sind die Anschaffungskosten im Vergleich zu den anderen oben diskutierten Stromquellen höher, da Sie ein Ernteelement wie ein Solarpanel, einen Piezoempfänger oder ein Peltier-Element sowie den Leistungsumwandlungs-IC und zugehörige Aktivierungskomponenten benötigen.

Ein weiterer Nachteil ist die Gesamtgröße der Lösung, insbesondere im Vergleich zu einer Stromquelle wie einer Knopfzellenbatterie. Es ist schwierig, mit einem Energy Harvester und einem Umwandlungs-IC eine kleine Lösungsgröße zu erreichen.

In Bezug auf die Effizienz kann es schwierig sein, niedrige Leistungspegel zu verwalten. Dies liegt daran, dass viele der Netzteile Wechselstrom sind und daher gleichgerichtet werden müssen. Dazu werden Dioden verwendet. Der Konstrukteur muss sich mit dem Energieverlust befassen, der sich aus seinen inhärenten Eigenschaften ergibt. Die Auswirkung davon nimmt ab, wenn die Eingangsspannung zunimmt, aber das ist nicht immer möglich.

Die Bausteine, die in den meisten Power-Harvesting-Diskussionen vorkommen, stammen aus der ADP509x-Produktfamilie und dem LTC3108, der eine breite Palette von Power-Harvesting-Quellen mit mehreren Strompfaden und programmierbaren Lastmanagementoptionen aufnehmen kann, die die höchste Designflexibilität bieten. Eine Vielzahl von Stromquellen kann verwendet werden, um den ADP509x mit Strom zu versorgen, aber auch, um Strom von dieser Stromquelle zu beziehen, um eine Batterie aufzuladen oder eine Systemlast mit Strom zu versorgen. Alles von Solarenergie (sowohl im Innen- als auch im Außenbereich) bis hin zu thermoelektrischen Generatoren zur Gewinnung thermischer Energie aus der Körperwärme in tragbaren Anwendungen oder Motorwärme kann zur Stromversorgung des IoT-Knotens verwendet werden. Eine weitere Option besteht darin, Strom aus einer piezoelektrischen Quelle zu gewinnen, was eine weitere Ebene der Flexibilität hinzufügt; dies ist beispielsweise eine gute Option, um einem laufenden Motor Strom zu entziehen.

Ein weiteres Gerät, das von einer Piezoquelle gespeist werden kann, ist der ADP5304, der mit einem sehr niedrigen Ruhestrom (typischerweise 260 nA ohne Last) arbeitet und sich daher ideal für Energy-Harvesting-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch eignet. Das Datenblatt teilt eine typische Power-Harvesting-Anwendungsschaltung (siehe Abbildung 7), die von einer Piezoquelle gespeist wird und zur Stromversorgung eines ADC oder HF-IC verwendet wird.

Energiemanagement

Ein weiterer Bereich, der Teil jeder Diskussion über Anwendungen mit begrenztem Energiebudget sein sollte, ist das Energiemanagement. Dies beginnt mit der Entwicklung einer Energiebudgetschätzung für die Anwendung, bevor verschiedene Energieverwaltungslösungen in Betracht gezogen werden. Dieser wesentliche Schritt hilft Systemdesignern, die im System verwendeten Schlüsselkomponenten und die von ihnen benötigte Energiemenge zu verstehen. Dies wirkt sich auf Ihre Entscheidung aus, eine Primärbatterie, eine wiederaufladbare Batterie, Power Harvesting oder eine Kombination davon als Methode zur Energiebereitstellung auszuwählen.

Wie oft das IoT-Gerät ein Signal sammelt und an das zentrale System oder die Cloud zurücksendet, ist ein weiteres wichtiges Detail bei der Betrachtung des Energiemanagements, das einen großen Einfluss auf den Gesamtstromverbrauch hat. Eine gängige Technik besteht darin, den Energieverbrauch einzuschränken oder die Zeit zwischen dem Aufwecken des Geräts zum Sammeln und/oder Senden von Daten zu verlängern.

Die Verwendung von Standby-Modi auf jedem Ihrer elektronischen Geräte (falls verfügbar) ist auch ein nützliches Werkzeug, wenn es darum geht, den Stromverbrauch des Systems zu verwalten.

Fazit

Wie bei allen elektronischen Anwendungen ist es wichtig, den Power-Management-Teil der Schaltung so früh wie möglich zu berücksichtigen. Dies ist sogar noch wichtiger bei leistungsbeschränkten Anwendungen wie dem IoT. Die Entwicklung eines Energiebudgets zu einem frühen Zeitpunkt im Prozess kann dem Systemdesigner dabei helfen, den effizientesten Weg und die richtigen Geräte zu identifizieren, die die Herausforderungen dieser Anwendungen meistern und gleichzeitig eine hohe Energieeffizienz in einer kleinen Lösungsgröße erreichen.