Energy Harvesting Energiemanagement statt nur Spannungswandler

Schaltungen per Energy Harvesting erfordern ganzheitlichen Ansatz.
Um Schaltungen zu entwickeln, die per Energy Harvesting versorgt werden sollen, ist ein ganzheitlicher Ansatz erforderlich.

Schaltungen, die per Energy Harvesting mit Strom versorgt werden, erfordern einen ganzheitlichen Enwicklungsansatz. So soll ein Betrieb mit sehr niedrigen Spannungen möglich sein und für den sparsamen Umgang mit der knappen Energie wird ein komplexes Stromflusskonzept benötigt.

Elektronische Schaltungen, die ohne Anschluss ans Stromnetz oder Batterie betrieben werden sollen, können Energie aus unterschiedlichen Quellen ernten. Die üblichste ist Photovoltaik, es stehen aber auch thermoelektrische Generatoren sowie elektromagnetische und piezoelektrische Spannungsquellen zur Verfügung. Diese wandeln Licht, Temperaturunterschiede, mechanische Bewegung und mechanische Kraft in elektrische Energie um. Häufig ist die elektrische Energie sehr gering und tritt in unterschiedlichen Spannungen und Stromstärken auf. Um eine elektronische Schaltung mit der schwankenden elektrischen Energie zu versorgen, muss die vom Energy Harvester erzeugte Spannung in eine stabil geregelte Spannung umgewandelt werden. Hierfür wird ein DC/DC-Wandler verwendet. Dieser muss jedoch eine Eingangsimpedanz aufweisen, die es erlaubt, so viel Energie wie möglich aus der Energiequelle zu entnehmen. Ebenfalls muss der DC/DC-Wandler eine nutzbare Gleichspannung erzeugen, welche üblicherweise bei 3,3 V oder 5 V liegt, um eine elektronische Schaltung zuverlässig zu versorgen – und die Spannungswandlung muss mit einem hohen Wirkungsgrad geschehen, um Baugröße und Kosten der Mikrogeneratoren zu reduzieren.

Eine weitere wichtige Funktion der Stromversorgung für energieautarke batterielose Systeme ist das zeitliche Entkoppeln von Erzeugung und Bedarf von Energie. Beispielsweise kann eine Solarzelle tagsüber viel elektrische Energie liefern, wogegen ein zu versorgendes Gerät eventuell gerade nachts aktiv sein soll. Ein Anwendungsfall könnte ein Sensor sein, der Einbrüche in einem Gebäude erkennen und melden soll. Eine zeitliche Entkopplung lässt sich über einen Energiespeicher, beispielsweise mit einem Akkumulator oder mit einem Kondensator bewerkstelligen. Somit muss eine Stromversorgung für eine per Energy Harvesting versorgte Schaltung auch noch in der Lage sein, einen Kondensator oder eine Batterie kontrolliert zu laden und zu entladen.

In sehr zuverlässigen Systemen, die allzeit funktionsbereit sein sollen, wird teilweise zusätzlich eine nichtaufladbare Batterie mit Primärzellen eingebaut. Ihre Lebensdauer soll durch Energy Harvesting verlängert werden. In einem solchen Fall muss die Stromversorgung eine Funktion bereitstellen, um die Batterie mit den Primärzellen zuzuschalten, wenn gerade nicht genügend Energie geerntet wird und auch nicht mehr ausreichend zuvor geerntete Energie im Akku oder im Kondensator gespeichert ist. Dieser Fluss von elektrischer Energie muss zuverlässig und mit nur geringen Verlusten gesteuert werden.

In Bild 1 ist das Blockdiagram eines typischen Funksensors mit Energy Harvesting gezeigt, ein Funksensor für die Gebäudeautomation mit einer Solarzelle als Energiequelle, einem Superkondensator als Zwischenkreisspeicher sowie einer optionalen Primärzelle für die zuverlässige Versorgung in dunklen Wintermonaten. Die Stromversorgung in der Mitte hat nicht nur die Funktion eines einfachen DC/DC-Wandlers, sondern sie übernimmt weitere Funktionen des Energiemanagements. All diese Funktionen müssen mit hohem Wirkungsgrad ausgeführt werden, gerade auch bei geringen Leistungen.

Maximale Leistung ernten

Wie bereits erwähnt ist die Impedanz¬anpassung bei vielen Energy Harvestern wichtig. Dadurch lässt sich aus einer elektrischen Energiequelle die maximale elektrische Leistung entnehmen.

Bild 2 zeigt dies anhand der Impedanzkennlinie einer Solarzelle. Auf der X-Achse ist die Spannung und auf der Y-Achse die Stromstärke eingezeichnet. Bei geringer Stromstärke (Leerlauf) liegt die Spannung auf dem Höchstwert, bei geringer Spannung (Kurzschluss) erreicht die Stromstärke den Maximalwert. Um jedoch die maximale Leistung zu erhalten, müssen Stromstärke und Spannung so hoch wie möglich sein. In Bild 2 ist dieser Bereich mit maximaler Leistung markiert, der „Maximum Peak Power Point“. Leider verändert sich die Kennlinie einer Solarzelle bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen und unterschiedlichen Temperaturen. Dadurch muss sich der DC/DC-Wandler immer wieder erneut auf die momentanen Verhältnisse einstellen. Hierfür gibt es unterschiedliche Methoden. Der ADP5091 von Analog Devices beispielsweise unterbricht alle 16 s für einen kurzen Moment die Stromaufnahme. In diesem Augenblick wird die Spannung der Solarzelle ohne Belastung gemessen. Aus dem Messwert kann auf den günstigsten Arbeitspunkt in den aktuellen Betriebsverhältnissen geschlossen werden. Der Arbeitspunkt wird dann für die kommenden 16 s eingehalten, dann erfolgt die nächste Anpassung.

Ein DC/DC-Wandler mit „Maximum Peak Power Point Tracking“ (MPPT) regelt somit seine Eingangsimpedanz, um immer im Bereich mit der höchsten Leistungsausbeute der Energiequelle betrieben zu werden. Die Regelung der Eingangsimpedanz erzeugt jedoch keine konstante Ausgangsspannung. Hierfür müsste die Regelung die Ausgangsspannung regeln und nicht die Eingangsimpedanz. Der Ausgang des DC/DC-Wandlers verhält sich wie eine Stromquelle und lädt den Ausgangskondensator beziehungsweise den Zwischenkreisspeicher. Bild 3 zeigt die Beschaltung des ADP5091 zum Laden eines Zwischenkreisspeichers. Wenn die Spannung am Zwischenkreisspeicher den Maximalwert – über Spannungsteiler am Anschluss TERM vorgegeben – erreicht, wird die DC/DC-Wandlung beendet, um den Zwischenkreisspeicher vor Beschädigung zu schützen. In der Folge wird der Zwischenkreiskondensator durch den Betrieb der Lastschaltung entladen und die Spannung an diesem Knoten wird kleiner, bis die ebenfalls über Spannungsteiler am Anschluss SETSD einstellbare untere Spannungsschwelle erreicht wird. Daraufhin startet der DC/DC-Wandler wieder und lädt den Zwischenkreisspeicher – vorausgesetzt die Solarzelle erntet ausreichend elektrische Energie. Die beiden Spannungsschwellen können so eingestellt werden, dass ein Betrieb elektronischer Schaltungen möglich ist. Beispielsweise kann 3,3-V-Elektronik häufig zwischen 3,0 V und 3,6 V betrieben werden. Eine Regelung innerhalb dieses Bereiches erfolgt über die jeweiligen Schwellwerte an den Anschlüssen TERM und SETSD (Bild 3) und funktioniert auch ohne eine auf einen konstanten Wert geregelte Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers. Die gesamte Energie im Zwischenkreisspeicher wird zwar so nicht genutzt, der Bereich zwischen einem Ladezustand von 3 V und 3,6 V jedoch schon.