Auch ohne Batterien Strom für das IoT

Bild 1: LTC3588-2 – typische Applikation
LTC3588-2 – typische Applikation

Damit das IoT tatsächlich allgegenwärtig wird, müssen Knoten an sämtlichen potenziellen Standorten – insbesondere den schwer zugänglichen – unterbrechungs- und ausfallfrei arbeiten. Wie lässt sich die Stromversorgung in solchen Fällen sicherstellen?

Gerade an schwer erreichbaren Standorten ist die regelmäßige Wartung oder gar eine Notreparatur unter Umständen nur schwer durchführbar oder zumindest sehr kostspielig. Zudem wären der Batteriewechsel für Tausende von Knoten und der dafür nötige Bedarf an Arbeitskräften eine große Hürde für das rasche Wachsen des IoT. Als bestes Verfahren zur Stromversorgung von IoT-Applikationen mit extrem geringem Stromverbrauch wird allgemein Energy-Harvesting betrachtet, also die Nutzung potenzieller Energiequellen in und um die Knoten selbst. Die wahrscheinlich augenfälligste Energiequelle ist die Sonne. Ihr Licht wird mithilfe von Photovoltaik-Zellen (PV) in elektrischen Strom umgewandelt. Weitere potenzielle Quellen sind Hochfrequenzstrahlung (HF), Piezoelektrizität und Thermoelektrizität. Die von ihnen gelieferten Energiemengen sind jedoch sehr gering und zudem unbeständig, weil sie komplett von den Umgebungsbedingungen abhängen.

Bei der Photovoltaik hat sich in Bezug auf Effizienz und Kostensenkung bereits viel getan. So können z.B. Zellen auf flexibles Material gedruckt werden. Dennoch steht die Branche immer noch vor dem Problem, dass diese Quelle nur tagsüber Energie liefert. Die Fähigkeit, HF-Energie aus der Umgebung zu gewinnen – von Milliarden von Funksendern, Mobiltelefonen, Fernseh-/Radiosendern usw. oder als Alternative dazu von dedizierten Quellen wie die Stromübertragung über Rectennas –, kann das kabellose Laden von batteriebetriebenen Geräten mit geringer Leistungsaufnahme ermöglichen. Bis das soweit ist, besteht die Aussicht, thermoelektrische Vorrichtungen zu nutzen, um Energie von Triebwerken, Fahrzeugmotoren, Glühlampen oder sogar vom menschlichen Körper zu gewinnen. Zudem lässt sich Energie mittels Piezoelektrik auch aus den Vibrationen schwerer Maschinen, dem Schließen von Türen oder den Ausströmdüsen von Klimaanlagen in Bürogebäuden gewinnen.

Welche Energiegewinnungstechnik sich im konkreten Fall eignet, hängt von der Umgebung ab, in der sich die IoT-Knoten befinden. Das macht es schwierig, eine Universallösung zu entwickeln. Mitunter ergibt sich auch aus der Kombination von zwei Gewinnungstechniken wie Photovoltaik plus HF oder Thermoelektrizität plus HF eine effektive Lösung. Eine weitere Überlegung besteht darin, ob die Verwendung kleiner, dünner oder aufgedruckter flexibler Akkus in Kombination mit Superkondensatoren die beste Lösung darstellt. Das ist dann der Fall, wenn Stromspitzen verwertet oder abgeleitet werden müssen. Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, komplett auf Batterien zu verzichten und nur mit Superkondensatoren zu arbeiten.

Die 3-Volt-Dünnfilm-Primärzelle CP042350 von Renata hat ein niedriges Profil und ist stark biegbar (mehr als 1000 Zyklen bei einem Durchmesser von 50 mm). Zudem weist sie mit gerade einmal 1 % pro Jahr eine geringe Selbstentladung auf. Die Zelle hat ein Durchschnittsgewicht von 0,86 g, ist quecksilberfrei und bis zu zehn Jahre lagerfähig (bei 23 °C). Sie basiert auf einer Li/MnO2-Chemie und bietet eine Nennkapazität von 25 mAh sowie einen internen Widerstand von <30 Ω über einen Betriebstemperaturbereich von –40 °C bis +60 °C.

Die Superkondensatoren der DMH-Baureihe von Murata in ihren 20 mm × 20 mm × 0,4 mm messenden Paketen weisen jeweils eine Kapazität von 35 mF über einen Betriebs­temperaturbereich von –40 °C bis +85 °C auf. Sie haben eine Nennspannung von 4,5 V und einen elektrostatischen Widerstand (ESR) von 300 mΩ. Mit ihrem schlanken Formfaktor passen die DMH-Einheiten unter eine Knopfzelle oder an andere freie Stellen im Knoten.