Thermoelektrisches Energy-Harvesting Akku als Rückfallebene

Beim Einsatz drahtloser Sensoren war die Energieversorgung bisher die Achillesferse. Mithilfe von Energy-Harvesting kann diese sichergestellt werden, ohne dass die Batterie regelmäßig getauscht werden muss. Allerdings ist immer noch ein Akku nötig, da die »geerntete« Energie meist nicht kontinuierlich fließt.

Energy-Harvesting, also die Erzeugung nutzbarer elektrischer Energie aus frei verfügbaren Quellen wie zum Beispiel Vibration, Wärme oder Licht, hat entscheidenden Anteil an der Realisierung drahtloser Sensoren, die sich selbst mit Strom versorgen und daher keine Batteriewartung erfordern. Der Trend zum Einsatz drahtloser Sensoren nimmt zu –speziell in der Prozessautomatisierung, der Zustandsüberwachung und im Bereich der »intelligenten« Gebäude. Drahtlose Sensornetzwerke bringen umgehend Vorteile mit sich, denn sie kommen ohne teure Verkabelung aus und lassen sich problemlos auch an einst unzugänglichen Orten platzieren.

Das Konzept der »intelligenten Umgebung« sieht die Anordnung einer großen Zahl Sensoren an allen sinnvollen Messpunkten vor. Die von den Sensoren gemessenen Parameter (z.B. Temperatur, Druck oder Vibration) werden per Funk an ein Steuerungs- oder Überwachungssystem übermittelt und dort genutzt, um die Prozesssteuerung und das Energiemanagement zu verbessern, die Wartungskosten zu senken und die Effizienz von Gebäuden zu steigern. Für solche Anwendungen haben STMicroelectronics und Micropelt gemeinsam ein Evaluation-Kit entwickelt, das thermoelektrisches Energy-Harvesting und eine Dünnschicht-Batterie zu einem autonomen drahtlosen Sensor kombiniert.

Das eine Kernstück des »TE-Power  Node« ist ein Thermoelektrischer Generator (TEG), der sich des so genannten Seebeck-Effekts bedient. Mit diesem physikalischen Phänomen lässt sich elektrische Energie aus dem Wärmefluss erzeugen, der durch eine Temperaturdifferenz entlang einer mikrostrukturierten thermoelektrischen Schicht entsteht. Aus einem effektiven Temperaturgefälle von 10 K generiert der TEC eine Spannung von 1,4 V. Mit der speziellen Energieaufbereitungs-Technologie von Micropelt lässt sich hieraus genügend Leistung erzeugen, um einen drahtlosen Sensorknoten zu betreiben.

In dem Evaluation-Kit ist der TEG »MPG-D751« zwischen einer massiven Aluminium-Grundplatte und einem gerippten Kühlkörper montiert. Wird die Grundplatte auf einer geeigneten Wärmequelle befestigt, kann sich dank der Kühlwirkung des Kühlkörpers am TEG die benötigte Temperaturdifferenz einstellen. Bei einem Überangebot an thermischer Energie wird zusätzlich ein Akku geladen, das zweite Kernstück des Evaluation-Kits. Dabei handelt es sich um die Dünnschicht-Festkörperbatterie »EnFilm EFL700A39« von ST. Der gemäß UL1642 zertifizierte Akku mit einer Kapazität von 700 μAh kann Impulsströme bis zu 10 mA liefern und damit die Versorgung des drahtlosen Sensorknotens während seiner Kommunikation mit dem Netzwerk übernehmen.

Wenn sich die Grundplatte des Evaluation-Kits in Kontakt mit einer Wärmequelle befindet, versorgt der TEG das System und lädt die EnFilm-Batterie. Wird die Wärmequelle entfernt, stellt der TEG den Betrieb ein und der drahtlose Sensor wird nur noch von der EnFilm-Batterie gespeist. Die Kombination aus TEG und EnFilm-Batterie gleicht damit Lücken in der thermischen Energieversorgung aus und stattet das angeschlossene draht-lose System mit einer praktisch unerschöpflichen Energiequelle aus. EnFilm verkraftet mehr als tausend Lade/Entladezyklen bei 50% Entladetiefe. Die EFL700A39 ist 25,4 m x 25,4 mm groß und 0,2 mm hoch. Die Batterie lässt sich durch Anlegen einer konstanten Spannung von 4,2 V binnen 20 Minuten auf 80% ihrer anfänglichen Kapazität aufladen, ohne dass eine Ladestrombegrenzung erforderlich ist.

EnFilm-Batterien enthalten keine Lösungsmittel, Kurzschlüsse oder Überladen stellen also kein Brandrisiko dar. Die von ST entwickelte Batterieplatine enthält neben der eigentlichen En-Film-Batterie auch die elektronischen Schaltungen zur Regelung und Überwachung des Ladezustands und der Energiebalance. Das Board ist mit dem BiCMOS-Linearregler »STLQ50« bestückt, der speziell für den Betrieb in Umgebungen mit sehr eng gestecktem Stromverbrauchsbudget ausgelegt ist. Hinzu kommt der Batteriemanagement-Chip »STC3100«, der die Spannung, den Strom und die Temperatur der Batterie überwacht. Als weiterer Schaltungsteil kommt ein Coulomb-Zähler zur Überwachung des Lade- beziehungsweise Entladezustands hinzu.