Energy Harvesting puede proporcionar energía para la próxima generación de sensores IoT

El continuo crecimiento del Internet de las cosas (IoT) y los sensores IoT con millones o potencialmente miles de millones de dispositivos de comunicación inteligentes, todos conectados a la nube, está comenzando a generar discusiones sobre la sostenibilidad de este crecimiento.

Ya podemos ver disponibles una gran variedad de sensores de IoT, que cubren una amplia gama de aplicaciones, como sensores de monitorización ambiental, sensores de monitorización de salud o wearables, dispositivos médicos y rastreadores de actividad, la mayoría de los cuales funcionan con una batería primaria.

Hoy en día, la mayoría de estos productos dependen de baterías primarias para su funcionamiento y se están formulando preguntas sobre cuestiones relacionadas con el uso de estas baterías. La sostenibilidad y la procedencia de los materiales utilizados en muchas de las tecnologías de baterías son motivo de gran preocupación. El uso de estas baterías primarias a menudo también es causa problemas en la implementación del sistema, ya que por lo general tienen una vida útil limitada y, a menudo, necesitan ser reemplazadas durante la vida útil del producto, con los costos asociados. Los sensores IoT actuales que funcionan con baterías primarias suelen utilizar una arquitectura de suministro de energía simple, como se muestra en la Figura 1.

Esta arquitectura de energía es utilizada en la mayoría de los diseños ya que es muy rentable, ya sea con baterías simples o múltiples con un rango de voltajes de salida que varía entre 3.0V, 3,6 V o hasta 6,4 V, según el tipo de tecnología de batería utilizada. La Figura 1 muestra que la batería proporciona el voltaje de funcionamiento utilizado por el microcontrolador, los sensores y la radio que normalmente se encuentran en un sensor IoT. Es posible que esta arquitectura no sea la más eficiente en términos de energía, pero como se mencionó anteriormente, es casi seguro que es la más rentable.

En este diseño, el consumo de corriente promedio del sistema es crucial, ya que afecta no solo la vida útil de la batería, sino también la vida útil del producto o el coste del reemplazo de la batería. El consumo de corriente promedio y la vida útil prevista del producto son consideraciones importantes para determinar el tamaño de batería requerido. Por ejemplo, una batería de botón CR2032 es viable para dispositivos IoT que utilizan un transmisor Bluetooth Low Energy (BLE) o ZigBee (~5mA@3.3V para Tx, 0dBm) para una conectividad de corta distancia, pero es poco probable que proporcione una solución viable para Soluciones de radio que requieren de una mayor potencia como transmisores de baja potencia (LPWA) como LoRaWAN o LTE Cat-NB1 (~100mA@3.3V para Tx, + 20dBm) para conectividad de larga distancia.

Este tipo de solución de radio requiere de una batería más grande con opciones como 2 baterías AA. Consideremos el ejemplo de un sensor remoto ambiental para estimar la duración de la batería. El sensor se activará cada 15 minutos bajo el control de un microcontrolador, leerá datos de un sensor de temperatura y humedad y enviará los datos a través de una red de radio LoRa.En este diseño, usaremos 2x baterías AA (3.0V) como un Energizer E91 como fuente de energía con una capacidad de 2500mAh. Usaremos varios componentes de Renesas. El microcontrolador de ultra bajo consumo Renesas RL78/G13, un regulador low-iq buck-boost  Renesas ISL9122A, un sensor de temperatura y humedad relativa basado en MEMS HS300x  y para como elemento transmisor, un chip de radio Semtech SX1262 LoRaWAN.

Especificación de la batería:

Consumo energético:

Duración del ciclo: 15 min.

Tabla 1: Ejemplo de consumo energético de un sensor medio ambiental remoto.

Nota 1: Consumo energético incluyendo el microprocesador

Nota 2: Consumo energético con una configuración LoRaWAN SF10/125kHz +20dBm

Nota 3: Consumo energético total de los componentes de placa en modo standby (MCU, sensor, radio, PMIC and misc.)

En este ejemplo, la duración de la batería se calcula como 1500 [mAh] / 42,922 [mAh] = 34947 horas = 3,99 años. Este es un cálculo muy aproximado y es probable que la vida útil de la batería sea más corta debido a la eficiencia de conversión de voltaje del regulador, que cambia a medida que el voltaje de la batería se reduce a medida que se agota. Sin embargo, muestra que, para este ejemplo, el producto tiene una vida útil de aproximadamente 4 años, momento en el que debemos reemplazar la batería o desechar el producto.Si bien la mayoría de los sensores de IoT actuales dependen de una batería primaria como fuente de energía, hemos comenzado a ver una serie de productos que se han introducido que han adoptado el uso de fuentes energy harvesting para aumentar la duración de la batería o eliminar la necesidad de una batería por completo. En la Figura 2 se muestra un ejemplo del diseño de sistema típico.

En la mayoría de los sistemas que utilizan una fuente de energía energy harvesting, como las células solares, la corriente de entrada del sistema recolector es limitada, con rangos típicos de decenas de uA hasta 1 mA. A menudo se usa un IC de administración de energía (PMIC), como se puede ver en la figura 2. Para suministrar suficiente energía para que el sistema funcione correctamente, la energía debe almacenarse en una batería recargable o un supercondensador. Las últimas tecnologías de baterías secundarias ofrecen una serie de ventajas. Por ejemplo, algunos tipos de baterías recargables de iones de litio pueden ofrecer un funcionamiento a 2,7V, 3,0V o 3,6V. Existen pros y contras con estos dispositivos de almacenamiento de energía en términos de factor de forma física, variedad de capacitancia, voltaje de carga, ESR, corriente de fuga y coste; por lo tanto, el diseñador deberá elegir un dispositivo apropiado que coincida con los requisitos específicos de la aplicación.

En el caso de uso de un supercondensador, la serie SCM de AVX o CAP-XX es una de las mejores opciones por su baja resistencia en serie equivalente (ESR) y su baja corriente de fuga. Para una batería recargable de iones de litio, la serie EnerCera ™ ET (forma de celda de moneda) o la serie EC (forma delgada y flexible) de NGK también es una buena opción por su baja ESR y prácticamente sin corriente de fuga.

El uso de un PMIC es esencial en esta arquitectura de suministro de energía, ya que necesitamos controlar el tiempo para iniciar el suministro de energía de manera fiable para suministrar energía al microcontrolador, los sensores y la radio. El mayor problema al usar una fuente de energía energy harvesting en muchas aplicaciones de IoT es que la gran corriente consumida por un sensor o módulo de radio podría hacer que el sistema fallase, ya que el módulo energy harvesting  solo puede proporcionar una cantidad limitada de corriente. Por lo tanto, los PMIC generalmente incluyen un comparador de voltaje que permite a la aplicación detectar que hay suficiente carga en el dispositivo de almacenamiento de energía y administrar el tiempo para iniciar la fuente de alimentación. La capacitancia de los dispositivos de almacenamiento de energía es importante para la sostenibilidad del sistema, por lo que debe calcularse cuidadosamente para que se ajuste al balance energético de la aplicación.

Podemos considerar nuevamente la misma aplicación de ejemplo, esta vez usando una pequeña celda solar como fuente de energía. De nuevo tenemos dos sensores, un sensor de temperatura y humedad y un microcontrolador que se activará cada 15 minutos, leerá los datos de los sensores y enviará los datos a través de una red de radio LoRa. Esta vez, como fuente de energía, usamos un pequeño panel solar Panasonic AM-5610CAR, con una salida de corriente de 300uA. También utilizamos un PCIM de Analog Devices LTC3330 que nos permite soportar el panel solar y gestionar un dispositivo de almacenamiento de energía, que en este caso será un supercondensador de 1F, baja ESR y baja fuga AVX SCMR18C105. Como en el último ejemplo de arquitectura del sistema, usaremos el microcontrolador RL78 / G13 y el sensor de temperatura /humedad relativa HS300x. Para la radio, usaremos nuevamente el chip de radio Semtech SX1262 LoRaWAN.

En este diseño, también tenemos la opción de usar una pequeña batería primaria tipo botón, para proporcionar energía de respaldo cuando no es posible obtener energía de la placa solar. Sin embargo, esto no se incluye en los cálculos de energía y, según la aplicación y el entorno, es posible que no sea necesario.

Dado que la generación de energía de un energy harvesting se ve afectada por el clima o las condiciones ambientales, el uso de una celda primaria proporcionaría un funcionamiento más fiable, pero no es obligatorio. La siguiente tabla muestra nuevamente el ejemplo de un balance de energía para el caso de uso del sensor remoto ambiental con un ciclo de trabajo de 15 min. El balance energético es bastante bueno y no necesitría de una batería primaria en condiciones climáticas nominales en campo.

Table 2: Estimación del balance energético de un sensor ambiental con Energy Harvesting.

Como se puede verse en la Tabla 2, la energía generada por la celda solar es mayor que la energía consumida por la aplicación, por lo que este es un ejemplo de un sistema energy harvesting que debería funcionar de manera fiable y estable. Sin embargo, es necesario considerar la capacitancia de un dispositivo de almacenamiento de energía para mantener el sistema en funcionamiento durante la noche cuando no hay energía disponible del panel solar. La energía se descargará de un dispositivo de almacenamiento de energía, una batería recargable o un supercondensador, durante la noche; por lo tanto, su capacitancia debe ser lo suficientemente grande como para no descargarse en exceso durante la noche. De acuerdo con la estimación de consumo de energía en la tabla anterior, el almacenamiento de energía necesitará una capacitancia mayor que el siguiente número aproximado estimado.

C[mF] = E[mJ]・2 / V[V]² = 4365[mJ]・2 / 3.3[V]² = 801.6 [mF]

Tenga en cuenta que la selección del componente de almacenamiento de energía en el ejemplo anterior se basa en este cálculo.

En la actualidad, empresas como Renesas Electronics, con la nueva familia de microcontroladores RE01, basados en la exclusiva tecnología de ultra bajo consumo Silicon on Thin Buried oxide, están desarrollando dispositivos semiconductores diseñados específicamente para aplicaciones de sensores de IoT. La familia de microcontroladores RE01 integra muchas características requeridas en estas aplicaciones, incluido un controlador energy harvesting diseñado tanto para administrar la energía de una fuente de baja potencia, como del dispositivo de almacenamiento de energía externo. Estos dispositivos facilitan el desarrollo de la próxima generación de aplicaciones de sensores de IoT que pueden operar de manera fiable mientras almacenan energía del entorno que los rodea.

Nuevamente, podemos crear un ejemplo de la próxima generación de diseño de sensores de IoT, utilizando energy harvesting para medir la temperatura y la humedad como antes con la celda solar Panasonic, el supercondensador AVX y la radio Semtech Lora. Esta vez reemplazaremos el microcontrolador con el nuevo microcontrolador RE01-256K que tiene un controlador energy harvesting integrado.

Ahora no es necesario el uso del PMIC ya que la función de gestión del energy harvesting está integrada en el microcontrolador RE01, por lo que, en consecuencia, la lista de costes de materiales se reduce. Como se muestra en la Tabla 2, el balance de energía es positivo, por lo que esta aplicación podría funcionar con una llamada solar optimizada tan pequeña como 25 mm x 20 mm. En este caso, si la aplicación se puede instalar en un lugar bien iluminado, podemos eliminar completamente la celda de la batería principal del diseño del sistema.

Tomemos un ejemplo final de un diseño de sensor de IoT energéticamente eficiente que utiliza tecnología energy harvesting, esta vez utilizando un generador eléctrico térmico (TEG), capaz de generar energía a partir de una pequeña diferencia de temperatura. Esto es ideal para aplicaciones que se instalan en entornos donde se produce una diferencia de temperatura, como calor residual en una tubería o un motor en una fábrica, una boya flotante en el agua o una puerta/pared de un edificio que tiene contacto con aire del exterior y del interior. El diseño es especialmente adecuado para ubicaciones donde las baterías se deteriorarían más rápido o entornos difíciles donde el acceso no es fácil para el cambio de la batería.

En el pasado, los sistemas energy harvesting basados en elementos TEG no era tan eficientes, por lo general lograban valores de alrededor del 30% de eficiencia en la conversión de voltaje del voltaje de salida del TEG a decenas de mV a un voltaje operativo para circuitos electrónicos, a 1.8V ~ 3.3V. Sin embargo, las recientes mejoras tecnológicas en los amplificadores de voltaje han elevado la eficiencia energética hasta un 80% en el rango de potencia de uW. De acuerdo con la hoja de datos de Matrix Industries, un TEG de 30 mm x 30 mm puede generar 1.4 mW a una diferencia de temperatura de 20 grados C. Esto es 339,3uA a 3,3 V, 80% de eficiencia de conversión.

La Figura 5 muestra el diseño de nuestro sistema usando los mismos componentes que antes, pero reemplazando la celda solar con el TEG “Gemini” y el amplificador de voltaje “Mercury” de Matrix Industries.

La Tabla 3 muestra las demandas de energía del sistema, esta vez usando un TEG como fuente de energía. El balance energético es bueno y el sistema funcionará de forma semipermanente, siempre que el sistema se mantenga en un entorno adecuado.

Tabla 3: Estimación del balance energético para un sensor remoto alimentado por un TEG

La última generación de dispositivos semiconductores, como el microcontrolador RE01, permite ahora que las aplicaciones de sensores de IoT funcionen de manera fiable a partir de fuentes de energía más pequeñas. Esto, combinado con el rendimiento de la última generación de fuentes de energía energy harvesting, como algunas de las mencionadas aquí, significa que la próxima generación de sensores ya no necesitará depender de baterías. En cambio, pueden obtener energía de manera eficiente del entorno que los rodea, reduciendo potencialmente o incluso eliminando la necesidad de baterías.

Esto permite dispositivos que tiengan una vida útil más larga en el campo y requieren menos mantenimiento. Más información sobre la familia Renesas RE, y de cómo las empresas pueden utilizar elementos de energy harvesting en su aplicación está disponible en www.renesas.com/RE.