Budowa samozasilających się urządzeń brzegowych IoT

Możliwości budowy samozasilających się urządzeń IoT w ciągu ostatniej dekady znacznie się poszerzyły. Urządzenia z rozmaitych branż, regionów geograficznych i środowisk są teraz połączone z systemami centralnymi i generują cenne, oparte na realnych danych informacje. Z jednej strony, zasilanie sieciowych dla urządzeń brzegowych w sieci IoT jest często dostępne, jednak ponieważ koszt przyłączenia zasilania sieciowego może być wygórowany, wciąż duża część aplikacji przemysłowych i komercyjnych musi być oparta na zasilaniu bateryjnym. Rafinerie, linie przesyłowe, urządzenia wytwarzające energię itp. wymagają stosowania urządzeń i czujników pracujących w trudnych warunkach, z dala od źródeł zasilania. Rozwiązaniem mogą być pojawiające się nowe technologie, która mogą sprawić, że urządzenia te będą miały własne źródła zasilania. W tym artykule przyjrzymy się mechanizmom pozyskiwania energii, dostępnym dla urządzeń brzegowych IoT.

Zbieranie energii

Energy harvesting, czyli zbieranie energii to wychwytywanie z otoczenia i przekształcanie niewielkich ilości łatwo dostępnej energii na użyteczną energię elektryczną. Zebrana energia elektryczna jest kondycjonowana do bezpośredniego wykorzystania lub gromadzona i magazynowana do późniejszego wykorzystania. Wszędzie tam, gdzie nie jest dostępne zasilanie sieciowe i gdzie nieefektywne jest pozyskiwanie energii z wiatru i słońca, nowe technologie  można wykorzystywać jako alternatywne źródło zasilania.

Istnieje wiele źródeł pozyskiwania energii. Potencjalnymi źródłami energii może być światło zewnętrzne i wewnętrzne, ruch mechaniczny, ciepło rozpraszane w procesach przemysłowych, temperatura ciała ludzkiego a nawet fale radiowe. Chociaż wielkość generowanej mocy różni się w zależności od źródła (od zaledwie kilku µW/cm3 przy zasilaniu dzięki ciepłu ludzkiego ciała do setek µW/cm3 przy przechwytywaniu ciepła z pracujących maszyn), zebrana energia może być więcej niż wystarczająca dla niektórych aplikacji. Aplikacje mogą być różne, od zegarków na rękę po urządzenia nadawczo-odbiorcze. Poniższy rysunek przedstawia ilość energii generowanej przez różne źródła oraz rodzaj urządzeń, które mogą być zasilane przez poszczególne źródła.

Nawet gdy ilość zebranej energii jest niewielka i nie jest w stanie samodzielnie zasilić urządzenia, nadal można ją wykorzystać do przedłużenia żywotności baterii. W zastosowaniach przemysłowych, handlowych i medycznych zbieranie energii może stanowić źródło zasilania samodzielnych czujników w trudno dostępnych i/lub odległych lokalizacjach. Czujniki te mogą być używane do monitorowania i ostrzegania w szerokim zakresie zastosowań, w tym jakości powietrza, konserwacji maszyn, pożarów lasów, monitorowania obciążenia mostów i wielu, wielu innych. Typowe zastosowania, które mogą czerpać korzyści z systemów energy harvesting obejmują zdalne systemy monitorowania korozji, urządzenia wszczepialne, zdalne monitorowanie pacjentów, monitorowanie strukturalne, RFID czy monitorowanie sprzętu.

Urządzenia do pozyskiwania energii z otoczenia

Typowe systemy pozyskiwania energii opierają się na trzech elementach funkcjonalnych:

Energy Harvester, czyli sam przetwornik, przetwarzający energię zebraną z otoczenia. Energia może być zbierana do zasilania małych autonomicznych czujników, takich jak czujniki MEMS. Systemy te są często bardzo małe i wymagają niewielkiej mocy, ale ich zastosowania są ograniczone przez zależność od zasilania bateryjnego. Pozyskiwanie energii z wibracji w występujących w otoczeniu czujnika, wiatru, ciepła lub światła może umożliwić nieograniczoną funkcjonalność tych inteligentnych czujników.

Moduł zarządzania energią: Obwody odbierające energię z przetwornika są generalnie rdzeniem nowoczesnych systemów pozyskiwania energii. Obwody te kondycjonują energię elektryczną do postaci nadającej się do konkretnego zastosowania. Systemy elektroniczne zasilane przez układy energy harvesting nie mogą bezpośrednio wykorzystywać wytworzonej energii z następujących powodów:

• Napięcie wyjściowe przetwornika rzadko osiąga lub choćby jest zbliżone do zwykłego poziomu Vdd (napięcie i moc spadają drastycznie np. podczas pracy z dala od źródła rezonansu).

• Impedancja harvestera jest zwykle wysoka w porównaniu ze standardową charakterystyką akumulatora.

• Napięcie wyjściowe jest niskie, czasami poniżej 1V.

Powyższe powody wymuszają stosowanie kondycjonerów, które zawierają regulatory i złożone obwody sterujące do zarządzania dostępną mocą w celu dostosowania jej parametrów do wymagań aplikacji. Układy scalone dedykowane do zarządzania energią pozyskiwaną z otoczenia pełnią kluczowe funkcje:

• Odbierają nieregularną, bardzo niską energię z urządzenia do zbierania energii (energy harvesting device, EHD) i przekształcają tę pobraną moc w energię o parametrach wymaganych przez urządzenie magazynujące. W zależności od typu EHD, układ zarządzania energią oferuje funkcje buck, boost lub liniową konwersję DC/DC.

• Zarządzają poborem energii z urządzenia magazynującego, zapewniając jednocześnie, że energia nie jest pobierana, gdy zmagazynowana energia znajduje się poniżej wartości progowej.

• Zarządza sekwencją rozruchu, gdy dostępna jest wystarczająca ilość energii.

Chociaż dobrze byłoby dysponować harvesterem przydatnym w szerokim zakresie zastosowań, tego typu zastępujący baterię uniwersalny układ i kondycjoner energii jest nierealny do stworzenia. Unikalne wymagania każdej aplikacji i różne źródła energii sprawiają, że uniwersalny EHD jest niepraktyczny. W większości przypadków zarówno urządzenie do pozyskiwania energii, jak i obwód kondycjonowania mocy muszą być indywidualnie zoptymalizowane pod kątem konkretnej aplikacji.

Układ magazynowania energii to urządzenie, które przechowuje pobraną energię do wykorzystania przez urządzenia zużywające energię. Energia może być przechowywana w kondensatorze, superkondensatorze lub akumulatorze. Kondensatory są używane, gdy aplikacja musi zapewnić duże skoki energii. Baterie uwalniają mniej energii i dlatego są używane, gdy urządzenie musi zapewnić jej stały przepływ. Powszechnym typem akumulatora, który jest używany do tego celu, jest akumulator kwasowo-ołowiowy lub litowo-jonowy, chociaż nadal powszechnie stosowane są również starsze typy, takie jak ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe.

W porównaniu z akumulatorami superkondensatory mają praktycznie nieograniczoną liczbę cykli ładowania i rozładowania, dzięki czemu mogą działać w nieskończoność, umożliwiając bezobsługową pracę w urządzeniach IoT i bezprzewodowych czujnikach.

Idealna charakterystyka projektu do zbierania energii z otoczenia

Dobra konstrukcja urządzenia do pozyskiwania energii musi równoważyć możliwości trzech głównych komponentów - EHD, układu zarządzania energią i magazynowania energii. Optymalne projekty muszą zapewnić, że układ  harvestera i układ aplikacji są dobrze do siebie dopasowane.

Elementy systemu podobu energii z otoczenia powinny charakteryzować się następującymi cechami:

• Wysoka efektywność energetyczna w wychwytywaniu, gromadzeniu i przechowywanie małych pakietów energii.

• Wysoka retencja energii przy minimalnym upływie lub straty w magazynowaniu energii.

• Powinien posiadać układ kondycjonowania energii w celu zapewnienia, że ​​moc wyjściowa spełnia wymagania aplikacji.

• Możliwie najmniejszą zużycie energii elektrycznej w trybie aktywnym.

• Możliwie najniższe zużycie w trybie czuwania.

• Możliwość włączania i wyłączania z minimalnym opóźnieniem.

• Możliwość pracy w zakresie niskiego napięcia.

• Niewielkie koszty i możliwości skalowania produkcji

•Tolerancja szerokiego zakresu napięć, prądów i innych nieregularnych warunków wejściowych.

Układy aplikacyjne odbierające zebraną energię powinny z kolei spełniać następujące wymagania:

• Najmniejsze możliwe zużycie energii elektrycznej w trybie aktywnym.

• Możliwie najniższe zużycie w trybie czuwania.

• Możliwość włączania i wyłączania z minimalnym opóźnieniem.

• Możliwość pracy w zakresie niskiego napięcia.

• Niewielkie koszty i możliwości skalowania produkcji

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow