Sicher kein Geheimnis: die Verbreitung IoT-fähiger Geräte in Haushalten, Fabriken und Unternehmen wächst. Ob kleinerer Formfaktor, gesteigerte Effizienz, verbesserter Stromverbrauch oder schnellere Ladezeiten – die Liste der Kundenanforderungen an die nächste Generation dieser Produkte ist lang. Erfahren Sie in diesem Artikel, wie Sie die Leistung kommender tragbarer Geräte mit der neuen Batteriemanagementtechnologie von Analog Devices optimieren können.
Was ist IoT?
Dieser spezielle IoT-Einsatzbereich hat viele Gesichter. Grundsätzlich geht es um intelligente, netzwerkverbundene elektronische Geräte, die üblicherweise batteriebetrieben sind und vorberechnete Daten an eine Cloudinfrastruktur senden. Diese Geräte nutzen eine Mischung aus eingebetteten Systemen wie Prozessoren, Kommunikations-ICs und Sensoren, um Daten zu erfassen, darauf zu reagieren und sie an eine Zentrale oder einen Knoten im Netzwerk zu übertragen. Es kann sich um einfache Temperatursensoren handeln, die die Raumtemperatur übermitteln, aber auch um Komponenten zur langfristigen Überwachung des Zustands besonders teurer Anlagen.
Diese Geräte werden entwickelt, um sehr spezifische Probleme zu lösen. Dabei kann es sich um die Automatisierung von Aufgaben handeln, die normalerweise menschliches Eingreifen erforderlich machen, beispielsweise im Rahmen der Gebäudeautomation, oder um die Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit und Langlebigkeit von Geräten für industrielle IoT-Anwendungen. Denkbar ist auch die Verbesserung der Sicherheit bei zustandsbasierten Überwachungen in Infrastrukturanwendungen wie Bridges.
Beispielanwendungen
Die Einsatzbereiche für IoT-Geräte sind mit den neuen Geräten nahezu unbegrenzt. Anwendungen mit intelligenten Sendern erfassen die Daten ihrer Umgebung, damit Entscheidungen zum Regeln der Temperatur getroffen, Alarme ausgelöst und einzelne Aufgaben automatisiert werden können. Darüber hinaus melden tragbare Instrumente wie Gaszähler und Luftqualitätsmesssysteme exakte Messwerte über die Cloud an ein Kontrollzentrum. Systeme für das GPS-Tracking sind ein weiterer Anwendungsbereich. Mit ihnen können Schiffscontainer ebenso verfolgt werden wie Nutztiere, indem beispielsweise Kühe mit intelligenten Ohrmarken gekennzeichnet werden. Und dies ist nur ein kleiner Ausschnitt der möglichen Einsatzbereiche für Cloud-verbundene Geräte. Weitere Einsatzbereiche sind Wearables im Bereich der Medizin sowie Messgeräte für die Infrastruktur.
Ein Bereich für signifikantes Wachstum sind IoT-Anwendungen für Industrie 4.0, die intelligente Fabriken in den Mittelpunkt rückt. Es gibt eine Vielzahl von IoT-Anwendungen, mit denen möglichst viele Aspekte des Fertigungsbetriebs automatisiert werden sollen, mit fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs), intelligenten Sensoren wie RF-Tags oder Manometern sowie anderen Sensoren für Umgebungsdaten, die in der gesamten Fabrik platziert werden.
Aus ADI-Perspektive lag der Fokus für IoT auf fünf Hauptbereichen:
- Intelligente Medizin: Anwendungen zur Überwachung von Vitalfunktionen auf klinischer Ebene und in Verbraucheranwendungen.
- Intelligente Fabriken: Industrie 4.0, damit Fabriken agiler, flexibler und schlanker gestaltet werden können.
- Intelligente Gebäude/Städte: Intelligente Sensoren für Gebäudesicherheit, Belegungserkennung für Parkplätze sowie Temperatur- und Elektrizitätsregelung.
- Intelligente Landwirtschaft: Einsatz verfügbarer Technologie für automatisierte Landwirtschaft und effiziente Ressourcennutzung.
- Intelligente Infrastruktur: Überwachung von Bewegungen und strukturellem Zustand auf Basis unserer Technologie für zustandsbasierte Überwachung.
Probleme bei der IoT-Entwicklung
Welche zentralen Problemen müssen Entwickler im kontinuierlich wachsenden Bereich der IoT-Anwendungen lösen? Die meisten dieser Geräte oder Knoten werden nachträglich oder in schwer zugänglichen Bereichen installiert, sodass ein Anschluss an das Stromnetz nicht möglich ist. Das bedeutet auf der anderen Seite, dass diese Geräte vollständig von Batterien oder von einer Form der Energiegewinnung abhängig sind.
Die Verlegung von Stromleitungen in einer Fabrik kann hohe Kosten verursachen. Nehmen wir als Beispiel die Stromversorgung für einen IoT-Remoteknoten in einer Fabrik. Ein neues Kabel für dieses Gerät zu verlegen, ist sehr kostspielig und zeitaufwendig. Deshalb sind nur Batterien und Energiegewinnung geeignete Energiequellen für Remoteknoten dieser Art.
Aufgrund der Nutzung von Batteriestrom ist ein stringentes Energiemanagement erforderlich, das die Lebensdauer der Batterie maximiert und zugleich die Betriebskosten für das Gerät senkt. Ein weiterer Nachteil der Nutzung von Batterien besteht darin, dass Batterien ausgetauscht werden müssen, wenn sie erschöpft sind. Für diesen Austausch fallen die Kosten der Batterien selbst, aber auch für den Arbeitsaufwand an, der für den Austausch der alten Batterien und deren Entsorgung erforderlich ist.
Zudem ist im Rahmen der Abwägung von Batteriekosten und -größe zu beachten, dass diese häufig zu groß ausgelegt werden, damit eine Lebensdauer von 10 Jahren und mehr erreicht wird. Diese Art von Auslegung erhöht aber Kosten und Größe der Batterie. Deshalb ist es extrem wichtig, nicht nur das Energiebudget zu optimieren, sondern zugleich den Stromverbrauch zu minimieren, damit eine möglichst kleine Batterie genutzt werden kann, die nichtsdestotrotz Ihre Anforderungen erfüllt.
IoT und Energie
Für diese Erörterung der Energieversorgung sind für IoT-Anwendungen drei Szenarien relevant:
- Geräte mit Batterie (Primärbatterie, also nicht wiederaufladbar)
- Geräte mit wiederaufladbarer Batterie
- Geräte mit Energiegewinnungsfunktion
Die unterschiedlichen Quellen können einzeln verwendet oder kombiniert werden, wenn die Anwendung dies erforderlich macht.
Anwendungen mit Primärbatterie
Sie kennen alle verschiedene Anwendungen mit Primärbatterie, also mit nicht wiederaufladbaren Batterien. Diese Lösungen sind für Anwendungen geeignet, die nur gelegentlich Strom ziehen, also für Geräte, die gelegentlich kurz aktiviert werden und anschließend wieder in einen Ruhemodus mit minimalem Stromverbrauch wechseln. Der Hauptvorteil dieser Energiequelle besteht darin, dass sie hohe Energiedichte und einfaches Design bietet, weil keine Schaltungen für das Laden und das Batteriemanagement benötigt werden. Zudem sind die Kosten geringer, da Batterien billig sind und weniger Elektronik benötigen. Sie bieten sich für kostengünstige Anwendungen mit geringem Energiebedarf an. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer sind sie jedoch weniger für Anwendungen mit etwas höherem Energiebedarf geeignet, weil hier zusätzliche Kosten für die Ersatzbatterie und für den Wartungstechniker anfallen, der die Batterie austauscht.
Stellen wir uns eine große IoT-Installation mit vielen Knoten vor. Sobald ein Techniker vor Ort die Batterie eines Geräts austauscht, werden häufig alle Batterien ausgetauscht, um Arbeitskosten zu sparen. Das ist natürlich verschwenderisch und verschärft unser globales Abfallproblem. Zudem stellen Batterien nur etwa 2 % des Stroms bereit, der für ihre Herstellung aufgewandt wurde. Die ca. 98 % verschwendeter Energie machen Batterien also zu einer sehr unökonomischen Energiequelle.
Trotzdem werden sie offensichtlich für IoT-Anwendungen benötigt. Aufgrund der relativ geringen Kosten eignen sie sich sehr gut für Anwendungen mit geringerem Strombedarf. Batterien sind für unterschiedliche Lasten und in verschiedenen Größen erhältlich. Und da kaum zusätzliche Elektronik benötigt wird – Schaltungen für das Laden und das Management entfallen –, können sie als einfache Lösung eingesetzt werden.
Aus Entwicklerperspektive besteht das Hauptproblem darin, die von diesen kleinen Energiequellen bereitgestellte Energie optimal zu nutzen. Der Zeitaufwand fällt im Wesentlichen beim Planen des Energiebudgets an, mit dem die Lebensdauer der Batterie maximiert werden soll. Typischerweise wird eine Lebensdauer von 10 Jahren angestrebt.
Für Anwendungen mit Primärbatterie sind zwei Mitglieder unserer Nanopower-Produktfamilie interessant: der Nanopower-Coulombzähler LTC3337 und der Nanopower-Abwärtsregler LTC3336 (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Schaltung für Anwendung mit LTC3337 und LTC3336
Der LTC3336 ist ein DC-DC-Wandler mit geringem Energieverbrauch, der mit programmierbarem Spitzenausgangsstrompegel an einem Eingang von bis zu 15 V arbeitet. Als Eingangsspannung reichen bereits 2,5 V aus. Deshalb ist dieser Wandler ideal für batteriebetriebene Anwendungen geeignet.
Der Ruhestrom ist für die Regelung ohne Last mit 65 nA außergewöhnlich niedrig. Für einen DC-DC-Wandler ist er mit seinem neuen Design einfach einzurichten und zu verwenden. Die Ausgangsspannung wird in Abhängigkeit von der Verdrahtung von OUT0 bis OUT3 programmiert.
Ergänzend zum LTC3336 wird häufig der LTC3337 eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen Nanopower-Batteriezustandsmonitor und -Coulombzähler. Dieser ist ein weiteres einfach zu verwendendes Gerät in neuem Design. Die IPK-Pins werden nach Maßgabe des benötigten Spitzenstroms – zwischen 5 mA und 100 mA – verdrahtet. Führen Sie einige Berechnungen unter Berücksichtigung der gewählten Batterie durch und verdrahten Sie die Ausgänge dann für den gewählten Spitzenstrom (siehe Datenblatt).
Dieses Gerätepaar ist eine fantastische Lösung für IoT-Anwendungen mit kleinem Energiebudget. Die Komponenten können die Stromentnahme aus der Primärbatterie präzise überwachen und den Strom in eine geeignete Systemspannung wandeln.
Anwendungen für wiederaufladbare Batterien
Fahren wir mit Anwendungen für wiederaufladbare Batterien fort. Wiederaufladbare Batterien sind eine gute Wahl für IoT-Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf oder Stromverbrauch, bei denen Primärbatterien keine Option sind, weil sie zu häufig gewechselt werden müssen. Eine Anwendung mit wiederaufladbarer Batterie ist aufgrund der Kosten der wiederaufladbaren Batterie und der erforderlichen Ladeschaltung teurer. Das macht sich aber in Anwendungen, bei denen die Batterie häufig ent- und geladen wird, schnell bezahlt.
Abhängig von der Art kann eine wiederaufladbarer Batterie eine geringere Anfangsenergie als eine Batterie (Primärzelle) aufweisen. Langfristig ist die wiederaufladbare Batterie aber effizienter und weniger verschwenderisch. Je nach Energiebedarf kommt auch ein Kondensator oder ein Kondensator im Faradbereich in Betracht. Diese Komponenten eignen sich aber eher für kurzfristigen Energiespeicherbedarf.
Das Laden von wiederaufladbaren Batterien erfolgt in unterschiedlichen Modi und mit speziellen Ladeprofilen, die wiederum von der Art der wiederaufladbaren Batterie abhängig sind. Abbildung 2 zeigt beispielsweise ein Ladeprofil für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. Die horizontale Achse gibt die Spannung, die vertikale Achse den Ladestrom an.
Abbildung 2: Ladestrom im Verhältnis zur Spannung der wiederaufladbaren Batterie
Wenn die wiederaufladbare Batterie tiefentladen ist (siehe Abbildung 2 links), muss das Ladegerät intelligent sein und den Vorlademodus aktivieren, um die Batteriespannung langsam auf ein sicheres Niveau anzuheben, bevor der CCM (Constant Current Mode) aktiviert wird.
Im CCM leitet das Ladegerät den programmierten Strom in die wiederaufladbare Batterie, bis die Spannung der wiederaufladbaren Batterie die programmierte Erhaltungsspannung erreicht.
Der programmierte Strom und die programmierte Spannung sind durch die Art der wiederaufladbaren Batterie definiert. Der Ladestrom ist durch die C-Rate und die erforderliche Ladezeit begrenzt und die Erhaltungsspannung resultiert aus dem, was für die wiederaufladbare Batterie sicher ist. Systementwickler können die Erhaltungsspannung bei Bedarf etwas absenken, um die Lebensdauer der wiederaufladbaren Batterie zu verlängern. Wie immer im Bereich der Energie ist dies eine Frage der Prioritäten.
Bei Erreichen der Erhaltungsspannung fällt der Ladestrom auf Null. Die Spannung wird für eine Zeit aufrechterhalten, die auf dem Algorithmus für die Entladeschlussspannung basiert.
Abbildung 3 zeigt ein weiteres Diagramm für eine Anwendung mit drei Zellen und stellt das Verhalten im Zeitverlauf dar. Die Batteriespannung ist rot, der Ladestrom blau dargestellt. Das Diagramm beginnt im CCM mit einem Spitzenwert von 2 A, bis die Batteriespannung den Schwellenwert der Konstantspannung von 12,6 V erreicht. Das Ladegerät hält diese Spannung für die durch den Entladeschlussspannungstimer gegebene Zeit aufrecht – in diesem Fall 4 Stunden. Diese Zeit kann in vielen Ladekomponenten programmiert werden.
Abbildung 3: Ladespannung/-strom im Verhältnis zur Zeit
Abbildung 4 enthält mit dem LTC4162 ein interessantes Beispiel für einen vielseitigen Abwärtsregler-Batterielader, der einen Ladestrom von bis zu 3,2 A bereitstellen kann und für eine Vielzahl von Anwendungen wie tragbare Messinstrumente sowie für Anwendungen mit größeren oder mehrzelligen wiederaufladbaren Batterien geeignet ist. Er kann auch zum Laden mit Solarzellen als Quelle eingesetzt werden.
Abbildung 4: Der LTC4162, ein Abwärtsregler-Batterielader mit 3,2 A
Anwendungen zur Energiegewinnung
Wenn es um IoT-Anwendungen und deren Energiequellen geht, ist die Energiegewinnung eine weitere Option. Systementwickler müssen immer vielfältige Anforderungen berücksichtigen. Die Unabhängigkeit von einer festen Energieversorgung ist dabei natürlich attraktiv. Das gilt insbesondere für Anwendungen mit eher unkritischem Energiebedarf, die von Wartungstechnikern nicht oder nur schwer zu erreichen sind.
Es stehen verschiedene Energiequellen zur Wahl. Zudem muss es sich nicht um eine Anwendung im Freien handeln, damit die Energiegewinnung zur Option wird. Energie kann aus Sonnenstrahlung, piezoelektrisch, aus Vibrationen, Wärme und sogar RF-Wellen (mit extrem niedrigem Energiegehalt) gewonnen werden.
Abbildung 5 zeigt die erzielbaren Energiepegel für verschiedene Gewinnungsverfahren.
Abbildung 5: Energiequellen und ungefähre Pegel für unterschiedliche Anwendungen
Die Anfangskosten sind im Vergleich zu den bereits erörterten Energiequellen höher, da ein Element zur Energiegewinnung – beispielsweise ein Sonnenkollektor, ein piezoelektrischer Empfänger oder ein Peltier-Element – sowie ein Wandler-IC und die zugehörigen Komponenten benötigt werden.
Ein weiterer Nachteil ist der Formfaktor der Lösung im Vergleich zu einer Energiequelle wie einer Knopfzelle. Mit einem IC für Energiegewinnung und -wandlung lassen sich kleine Formfaktoren nur schwer realisieren.
Und auf der Seite der Effizienz kann es durchaus schwierig sein, mit den niedrigen Energiepegeln zurechtzukommen. Dies liegt daran, dass viele der Stromquellen Wechselstrom liefern, also gleichgerichtet werden müssen. Hierfür kommen Dioden zum Einsatz. Der Entwickler muss zudem die Energieverluste bewältigen, die Lösungen dieser Art inhärent sind. Eine Möglichkeit besteht in der Erhöhung der Eingangsspannung, die aber nicht in allen Fällen möglich ist.
In den meisten Erörterungen von Anwendungen mit Energiegewinnung finden Produkte der Baureihe ADP509x und der LTC3108 Erwähnung, die mit mehreren Strompfaden und programmierbaren Optionen für das Lademanagement für verschiedenste Quellen zur Energiegewinnung geeignet sind und höchste Flexibilität im Design bieten. Für die Stromversorgung des ADP509x können viele Energiequellen genutzt werden. Die einer Stromquelle entnommene Energie kann zudem verwendet werden, um eine wiederaufladbare Batterie zu laden oder eine Systemlast zu speisen. Von Solarenergie (in Räumen und im Freien) bis hin zu thermoelektrischen Generatoren, die Energie für Wearables aus Körperwärme erzeugen oder aus der Abwärme von Motoren generieren, können nahezu alle Quellen zum Speisen des IoT-Knotens verwendet werden. Eine weitere Option, die noch mehr Flexibilität eröffnet, stellt die Gewinnung von Energie aus einer piezoelektrischen Quelle dar. Mit ihr kann Energie beispielsweise aus einem laufenden Motor extrahiert werden.
Abbildung 6: Blockdiagramm des ADP5090 in einer Anwendung mit Energiegewinnung
Auch der ADP5304 kann aus einer piezoelektrischen Quelle mit Strom versorgt werden. Das Gerät arbeitet mit sehr niedrigem Ruhestrom (ohne Last 260 nA [typisch]) und ist deshalb ideal für Anwendungen mit Energiegewinnung geeignet. Das Datenblatt zeigt eine typische Schaltung zur Energiegewinnung (siehe Abbildung 7), gespeist aus einer piezoelektrischen Quelle, die einen A/D-W oder einen RF-IC mit Energie versorgt.
Abbildung 7: Schaltung für ADP5304-Anwendung mit piezoelektrischer Quelle
Energiemanagement
Was ebenfalls in jeder Erörterung von Anwendungen mit begrenztem Energiebudget zu berücksichtigen ist, ist das Energiemanagement. Das Energiemanagement beginnt mit einer Berechnung des Energiebudgets für die Anwendung. Erst dann werden mögliche Lösungen in Betracht gezogen. Mit diesem unverzichtbaren Schritt verschaffen Systementwickler sich einen Überblick über die zentralen Systemkomponenten und deren Energiebedarf. Die Erkenntnisse beeinflussen die Entscheidung für Primärbatterie, wiederaufladbare Batterie, Energiegewinnung oder eine Kombination dieser Energiequellen.
Ein weiteres wichtiges Detail für das Energiemanagement ist die Frequenz, mit der das IoT-Gerät ein Signal erfasst und an das Zentralsystem oder die Cloud übermittelt, weil sie großen Einfluss auf den Energieverbrauch der Lösung hat. Gebräuchliche Techniken sind hier die Verknüpfung des Stromverbrauchs mit einem Taktzyklus oder die Verlängerung der Abstände zwischen Aktivierungen des Geräts zum Erfassen/Senden von Daten.
Die Standbymodi der elektronischen Geräte (sofern verfügbar) können ebenfalls genutzt werden, um den Energieverbrauch des Systems zu begrenzen.
Fazit
Wie bei allen elektronischen Anwendungen muss das Energiemanagement für die Schaltung möglichst früh im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden. Dies gilt umso mehr für IoT-Anwendungen mit ihren Beschränkungen in Bezug auf die Energieversorgung. Wird das Energiebudget früh im Prozess definiert, kann der Systementwickler den effizientesten Pfad sowie geeignete Geräte identifizieren, um den Herausforderungen der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden und zugleich hohe Energieeffizienz bei kleinem Formfaktor vereinen.
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