Renesas DevCon Energy-Harvesting-Lösung mit Batterie-on-Chip

Die 50 µAh fassende Solid-State-Dünnfilm-Batterie wird mit der Ladeelektronik in einem 7x7 mm großen Chip verbaut.
Die 50 µAh fassende Solid-State-Dünnfilm-Batterie wird mit der Ladeelektronik in einem 7x7 mm großen Chip verbaut.

Zusammen mit der Partnerfirma Cymbet-Corporation stellte Renesas eine Komplettlösung für Energy-Harvesting vor. Das besondere: Eine Solid-State-Dünnfilm-Batterie und Power-Management-Blöcke befinden sich auf einem Chip, auf Super-Caps und/oder Lithium-Ionen-Batterien kann als Energiespeicher verzichtet werden.

Zusammen mit Renesas Energiespar-MCU RL78 sollen die als EnerChip  bezeichneten Chips des amerikanischen Unternehmens Cymbet neue Energy-Harvesting-Anwendungen wie einen von der University-of-Michigan entwickelter im Auge implantierbaren Augeninnendruck-Messer, der mit einer Solarzelle betrieben wird und zwischen 100 pW und 100 nW Energie benötigt, ermöglichen.

Als Festelektrolyt kommt Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON) zum Einsatz, als Kathode wird in den Zellen LiCoO2 verwendet, die Anode ist Lithium-frei. Die Chips gibt es mit Kapazitäten von 50 µAh (9x9 mm), 12 µAh (7x7 mm) und 5µAh (4x5 mm), alle sind weniger als 1 mm dick. Es können bis zu 10 Chips gestapelt werden, so dass ohne zusätzliche Board-Fläche eine Maximalkapazität von bis zu 500 µAh möglich wird.

Die Eigenschaften der Dünnfilm-Batterien sind überzeugend: So werden zwischen 5.000 und 15.000 Ladezyklen erreicht,   die nominelle Ausgangsspannung von 3,8 V wird fast bis zur totalen Entladung aufrecht erhalten, die Selbstentladung beträgt 2 % pro Jahr, der zulässige Temperaturbereich liegt zwischen -20°C und +70°C.

Als Mikrocontroller setzt Cymbet auf den 16-bit-CISC-Controller RL78 von Renesas. Dieser liefert zwar mit 4,65 Coremark/Mhz im altiven Modus ein deutlich geringere Energieeffizienz als 32-bit-Controller, bei den meisten Energy-Harvesting-Anwendungen dominiert die verbrachte Zeit im Energiesparmodus aber derart, dass hier laut Cymbet die geringeren Werte (220 nA im Stop-Modus mit Datenerhalt im RAM) gegenüber anderen 32-bit-Alternativen eine längere Batterielaufzeit versprechen.

Neben dem Augeninnendruck-Messer wurden noch ein System zur Waldbrand-Früherkennung, das an Bäumen angebracht über Veränderungen am pH-Wert etwaige Feuer erkennt und wireless meldet, und ein über Solarzellen betriebenes Sicherheits-Zugangssystem für abgelegene Firmengebäude vorgestellt.