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Alternative zu Batterien in IoT-Sensoren

Wartungsfrei und langlebig

3. November 2020, 11:39 Uhr | Von Tassilo Gernandt, Field Application Engineer bei Vishay Electronic

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Enycap – ein Hybrid mit Vorteilen aus beiden Welten

Mit 50 Wh/kg liegt die Energiedichte des Enycap deutlich über dem Maximalwert anderer Supercaps. Ausgelegt wurde die Spannung einer Enycap-Zelle so, dass die Serienschaltung (Vielfache von 1,4 V) in die Batteriespannungsbereiche 1,2 bis 1,5 V oder 2,4 bis 3 V passt. Schaltet man drei Zellen hintereinander (4,2…4,35 V) ist ein Ersatz für Lithium-Ionen-Zellen möglich. Auch lässt sich diese Version mit einem Lithium-Lade-IC laden, was die Hürde zur Verwendung für Neuentwicklungen deutlich senkt.

Packages gibt es von Knopfzellen-Ersatzgrößen mit 4,8 mm Durchmesser (entspricht SR412SW, RB414, ML414), über 12,5 mm (SR44, CR1225) bis hin zu den leistungsstärksten ovalen Versionen mit 25 bis 35 mm Durchmesser. Diese Durchmesser stehen für Kapazitätsgrößen von 4 F, 15 F und 90 F. Ihre absoluten Energiewerte reichen von 4,1 bis 115 Ws (~1,1 mAh bis ~30 mAh) pro 1,4-V-Zelle. Abgedeckt werden dabei Spannungsbereiche von 1,4 bis 8,4 V. Für Funkanwendungen wurde der Innenwiderstand (ESR) der Enycap-Zellen intensiv getestet. Er liegt beispielsweise bei 2,5 Ω pro 1,4-V-Zelle für 15 F und 7,5 Ω für die 4-F-Variante.

Bereits die 4-F-/4,2-V-Version, die mit konservativen 22,5 Ω DC-Innenwiderstand im Datenblatt angegeben ist, weist bei Raumtemperatur und Pulsbelastung nur einen Spannungseinbruch um 0,7 V auf und somit rechnerisch einen 5-Ω-Innenwiderstand in den ersten 50 ms.Auf der 4,1-V-Seite wurden dabei 80 bis 125 mA gemessen. Integraler Bestandteil des IoT-Sensors ist ein Buck Converter, der auf die optimale Transceiver-Spannung konvertierte. Es wurde ein OOK, FSK und LORA-Burst gesendet und danach auf Antwort gewartet. Um angestrebte weitere Miniaturisierungen bei noch geringerem Energieverbrauch (kleinere Speicherkapazitäten) zu unterstützen, wird in Entwicklungslaboratorien an einer für Reflow-Lötung geeigneten SMD-Version mit noch geringen Restströmen gearbeitet. Ein derartiger Aluminium-Doppelschichtkondensator soll dann beispielsweise in der Bauform 11 mm × 8 mm × 2,3 mm eine an ersten Mustern gemessene Kapazität von 150 mF und Leckströme von 0,5 µA nach 96 Stunden bei Raumtemperatur und Vollladung aufweisen.

Als kommerziell verfügbare Lösung ist eine Kombination aus PV-Zelle und Enycap seit mehr als einem Jahr erfolgreich im praktischen Betrieb. Der für Energy-Harvesting-Anwendungen angepasste Buck/Boost Chip AEM10941 kam vom Entwicklungspartner e-peas. Ebenfalls wurde angestoßen, das Fraunhofer-Referenzdesign, den Mioty Cookie, mit diesen beiden Komponenten, PV-Zelle und Enycap, upzugraden. Letztere Umsetzung verzögert sich leider durch die Corona-Pandemie.

Zur Realisierung der PV-Schaltung wurde eine von Vishays 29 Photodioden mit 7,5 mm2 Fläche herangezogen. Bei der VEMD5080X01 handelt es sich um eine flache Blue-Enhanced-SMD-Version mit Abmessungen von 5 mm × 4 mm × 0,9 mm. Diese Photodiode ist die effizienteste dieser Bauart, hat einen Öffnungswinkel von 130° und generiert bei Sommersonne ungefähr 2 mA bei 0,52 V. Damit arbeitet sie mit einer Effizienz von ~13,8 Prozent.

Durch den Einsatz batterieloser IoT-Sensoren wären die Zeiten vorbei, in denen regelmäßiger Batteriewechsel zu den Wartungsausgaben gehört und übergangene Wartungsintervalle zu Ausfällen führten. Letzteres war über Jahre ein Standardproblem in diesen Anwendungen, weil beispielsweise Smart Meter durch schlechte Funkverbindungen mehr Strom als simuliert benötigten und Batterien im Feld deutlich häufiger gewechselt werden mussten als vom Hersteller eigentlich prognostiziert.

Wartungskosten und Aufwand

Schon lange war bekannt, dass der Wartungsaufwand für IoT und Metering-Sensoren vor allem aus häufigem Batteriewechseln besteht. Genau hier bietet Vishay mit Enycap einen echten Problemlöser. Nicht zuletzt wird durch seinen Einsatz der Abfallberg an Batterien reduziert und die Umwelt nicht zusätzlich belastet.

Verglichen mit den Kosten für das regelmäßige Wechseln der Batterie sind die für die Upgrade-Kombination aus PV-Zelle und Enycap deutlich geringer. Darüber hinaus benötigt sie auch durch deutlich bessere Tiefentladungs-Stabilität keinen Monitoring-Aufwand. Fazit: „Install and Forget“.

Typische Umwelteinflüsse reduzieren bei vielen Konkurrenzprodukten die Langlebigkeit ihrer IoT-Sensoren vor allem wegen der verwendeten Batterien, die schon ab 50 °C außerhalb ihrer Spezifikation sind. Aus diesem Grund hat Vishay den Enycap für den Einsatz bei Temperaturen bis 85 °C entwickelt. In seiner jüngsten SMD-Version ist er sogar für noch höhere Temperaturen optimiert. Vor dem Hintergrund steigender Durchschnittstemperaturen und Sonnenstunden ist das insbesondere für Outdoor-Anwendungen wichtig.

Im 5G-Netzwerk wird es eine Vielzahl kleiner Funkzellen etwa um Straßenlaternen geben, welche Funksignale von kompatiblen IoT-Sensoren direkt empfangen können. Prinzipiell lassen sich alle Funktechnologien nach dem Konzept PV-Zelle plus Enycap umrüsten. Besonders geeignet sind jene Funkstandards, die kurze Sende-Bursts verwenden, kann hier doch der geringe ESR der Enycap-Kondensatoren seinen Vorteil voll ausspielen.