IoT | 9. 3. 2016

Prodloužení životnosti baterie senzorového uzlu Internetu věcí pomocí technologie Energy harvesting

U senzorových uzlů vyvinutých pro Internet věcí (IoT) je důležité dosahovat co možná nejdelší životnosti baterie na jedno nabití, aby bylo možné shromažďovat data ze vzdálených umístění. Ideální by bylo nepoužívat žádnou baterii, jelikož správa systému je komplikovaná z důvodu požadování služeb ze vzdálených umístění, která jsou obtížně a draho dostupná.

Pomocí technologie energy harvesting by systém mohl energii získávat z okolního prostředí – prostřednictvím fotovoltaiky, radiofrekvenční energie, tlaku, tepla nebo pohybu vzduchu či tekutiny. Například vodoměr by mohl být teoreticky udržován v chodu pomocí energie získané z média, jež má měřit. Také senzor připevněný na stěně by mohl získávat energii ze světla, které dopadá na jeho povrch.

Ve skutečnosti je spotřeba energie elektronických senzorových systémů příliš vysoká na to, aby je bylo možné provozovat výhradně získáváním energie z okolního prostředí. Je však možné prodloužit výdrž baterie s dlouhou životností využitím maximálního možného množství energie okolního prostředí, ačkoli si to ve výsledku vyžádá složitější konstrukci systému.

Obr. 1: IV křivka fotovoltaického harvesteru

Jedním z klíčových problémů je, že energie se těžko získává, jelikož se vyskytuje buď v podobě velmi nízkého napětí, nebo naopak velmi vysokého napětí, avšak s obtížnou fázovou problematikou. V důsledku toho jsou zapotřebí speciální technologie pro ošetření vstupů, mezi něž patří zvyšovač napětí schopný pracovat s nízkonapěťovými zdroji s vysokou impedancí, které pro systém představuje mnoho modulů harvesterů. Obvody se zvyšovačem napětí však mohou generovat vysokofrekvenční šum, který může rušit rádiovou komunikaci. Systém je třeba přizpůsobit pro tyto situace.

Mezi další požadavky, zejména v případě fotovoltaických a termoelektrických generátorů, patří podpora technologie maximum power point tracking (MPPT). Každý fotovoltaický modul má charakteristickou proudovo-napěťovou (IV) křivku, která závisí nejen na dopadajícím světle, ale také na teplotě. Křivka udává napětí, při kterém je možné maximální získávání energie. Odklonem od tohoto napětí může dojít ke snížení shromažďovaného proudu, a tím i energie.

Na maximální výstupní efektivitu modulu má rovněž vliv i teplota. Vysoké teploty způsobují pokles výstupního napětí modulu. Pokud elektronika není schopna pokles napětí kompenzovat, mohou fotovoltaické panely v jeho důsledku trpět výpadky v efektivitě konverze, a to i v obdobích intenzivního slunečního svitu, kdy by jejich účinnost měla být špičková. Technologie MPPT umožní elektronice řídící konverzi energie sledovat změny v podmínkách a zajistí výběr toho nejvhodnějšího napětí. Změny maximálního výkonového bodu ve vztahu ke kolísání svitu jsou naštěstí relativně malé, takže řídící obvod MPPT musí analyzovat pouze poměrně malou část IV křivky.

Obr. 2: IV křivka piezoelektrického harvesteru

Reakce piezoelektrických harvesterů je odlišná, avšak v zásadě srovnatelná s fotovoltaickými panely: napětí otevřeného obvodu je přibližně v opačném poměru ke zkratovému proudu. Piezoelektrické prvky lze za účelem vytvoření rozmezí napětí pro získávání energie umístit sériově nebo paralelně. Piezoelektrické harvestery zpravidla vykazují maximální výkon během provozu přibližně při polovičním napětí otevřeného obvodu.

Dalším kritériem při navrhování systému je efektivita správy získané energie – je nutné zajistit, aby nedocházelo k nechtěnému přebití baterie a aby proces potřebný pro získávání a ukládání energie nevyžadoval více energie v joulech, než kolik jí může být akumulováno. Vhodné je rovněž zkombinovat baterii a superkondenzátor za účelem prevence potíží s nabíjením z nespolehlivého zdroje.

Ačkoli se nízké napětí superkondenzátorů v principu reguluje snadněji než nabíjecí baterie, bývají superkondenzátory za účelem dosažení napětí kompatibilního s elektronikou většiny systémů obvykle umístěny sériově. Při sériovém umístění představuje distribuce napětí napříč sadou superkondenzátorů zpočátku funkci kapacitance. Pokud je však sada udržována při stejném napětí delší dobu, mění se distribuce napětí na funkci interního paralelního odporu v důsledku vlivu úniku proudu.

Za účelem snížení výkyvů napětí způsobených únikem je možné paralelně s každým superkondenzátorem umístit rezistor. Toto řešení však zvýší energetickou ztrátovost, což je pro koncepci pro získávání energie nežádoucí. Aktivní balancování superkondenzátoru představuje efektivnější řešení, a je jedním z prvků implementovaných v produktu LTC3331 společnosti Linear Technology, který je jedním z několika zařízení speciálně vyvinutých pro řešení potíží vznikajících kombinací baterie a získané energie. Jejich dostupnost snižuje potřebu implementovat oddělená řešení.

Aktivní balancer superkondenzátoru zařízení LTC3331 je kompatibilní se dvěma zařízeními, která pro zajištění své funkce využívají pin BAL. Regulátor zařízení LTC3331 aktivně zajišťuje zdroje a snižuje proud až na 10 mA za účelem regulace napětí pinu BAL na polovinu výstupního napětí zařízení. Spotřeba balanceru činí pouhých 150 nA. Pokud není balancování požadováno nebo jeho nasazení spotřebovává příliš mnoho energie, může být deaktivováno a klidový proud snížen na nulu uzemněním pinu BAL se SCAP, který je zpravidla propojen s Vout, když je aktivní.

Obr. 3: Typické použití produktu LTC3331 s připojením balanceru superkondenzátoru napravo

V koncepcích podobných jako u produktu LTC3331 je klíčovou součástkou DC/DC měnič s topologií zvyšovače napětí nebo invertoru navržený pro běžné harvestery energie. Tento měnič je propojen za účelem ovládání elektroniky, která reguluje, kdy je zvyšovač napětí aktivní, a může rovněž provádět kalkulace MPPT. Produkt LTC3331 bude rovněž kompatibilní s piezoelektrickými nebo fotovoltaickými zdroji a je vhodný pro použití v bezdrátových systémech, které vykazují velmi nízkou spotřebu energie, avšak vyžadují nárazový přísun energie, když je třeba přenést data do rozbočovače nebo brány. Pro tento účel bude energie čerpána ze superkondenzátoru a případně z baterie, podle toho, kolik energie bylo získáno od posledního přenosu.

Když je k dispozici získatelná energie, zařízení LTC3331 ji přenese prostřednictvím můstkového usměrňovače, kde se akumuluje na vstupním kondenzátoru. Podpěťový blokovací obvod, fungující při nízkém klidovém proudu, umožní zvýšení napětí na kondenzátoru až na naprogramovanou hranici. Při překročení hranice se aktivuje blokující měnič a odvede energii do výstupního vedení. Pokud napětí na vstupním kondenzátoru klesne pod poklesovou hranici (nastavenou zpravidla na jinou úroveň než vzestupovou hranici za účelem potlačení nechtěné oscilace), blokující měnič se deaktivuje, a poté se zapne invertor za účelem kompenzace zatížení na vstupu baterie, přičemž energie může být dále získávána do superkondenzátoru.

Produkt ADP5090 společnosti Analog Devices je vybaven zvyšovačem napětí pro nízkonapěťové termoelektrické a solární zdroje fungující při napětích již od 380 mV. Disponuje rozhraním pro záložní baterii nebo superkondenzátor, a také podporou technologie MPPT.

Obr. 4: Schéma použití produktu ADP5090 s připojením kondenzátoru pro nastavení akumulace MPPT (CBP) nalevo

Údržba regulace MPPT je řízena externím kondenzátorem, který by se měl vyznačovat nízkými úniky, jelikož příkon harvesteru je testován řídicím obvodem přibližně každých 19 sekund. Pokles napětí kondenzátoru snižuje efektivitu regulátoru MPPT. Nízkoúniková keramika 10 nF X7R nebo C0G disponuje přijatelnou úrovní výkonnosti. Pro účely podpory získávání energie při velmi nízkém napětí je produkt ADP5090 vybaven nábojovou pumpou, která umožňuje aktivaci zvyšovače napětí již při velmi nízkém vstupním napětí. Další kontrola systémem, zda je napětí tak nízké, aby bylo třeba spustit zvyšovač napětí a pokusit se získat dostupnou energii, by ve skutečnosti mělo za následek vybíjení baterie.

U bezdrátových zařízení, jejichž radiofrekvenční elektronika může být velmi citlivá na šum, zejména při nízkonapěťovém provozu, lze zvyšovač napětí dočasně vypnout pomocí externího softwaru nebo hardwaru nastavením hodnoty high u pinu DIS_SW.

Další možností je produkt bq25504 společnosti Texas Instruments. Toto zařízení umožňuje studený start na základě příkonu od harvesteru energie ve výši 330 mV a během chodu podporuje napětí od 80 mV. Tento příkon napájí zvyšovač energie, který je poháněn klidovým proudem ve výši 330 nA. Ačkoli produkt bq25504 neumožňuje přímé řízení záložní baterie, monitoruje maximální a minimální napětí ve vztahu k uživatelem naprogramovanému podpětí a přepětí za účelem prevence poškození akumulačního prvku. Jako podpora správy energie disponuje zařízení příznakem „baterie v pořádku“, který pomocí připojeného mikroprocesoru signalizuje, když napětí na baterii pro akumulaci energie nebo kondenzátoru klesne pod předem nastavenou kritickou úroveň. Tento příznak slouží pro aktivaci odlehčování proudové zátěže, díky čemuž v systému nedojde k podpětí.

Řešení v podobě produktů LTC3331, ADP5090 a bq25504 představují způsob, jak smísit získanou energii a energii baterie pro usnadnění implementace senzorových uzlů IoT, které tak vydrží fungovat velmi dlouhou dobu na jedno nabití.

Rich Miron, Digi Key

Digi-Key Electronics
Rich Miron
Digi-Key Technical Content Engineer
701 Brooks Ave S
Thief River Falls, MN 56701
USA
www.digikey.com