Gastkommentar Die aktuellen Herausforderungen beim Energy Harvesting

Autor / Redakteur: Goodspeed Yang / Kristin Rinortner

Mikro-Energy Harvesting ist nur dann vielversprechend, wenn bestimmte Maßnahmen zur Energieaufbereitung berücksichtigt werden.

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Der Autor: Goodspeed Yang Produktmanager für die Power-Management-Gruppe von Analog Devices in San Jose, USA.
Der Autor: Goodspeed Yang Produktmanager für die Power-Management-Gruppe von Analog Devices in San Jose, USA.
(Bild: Brandon Richter)

Energy Harvesting dürfte allen Personen vertraut sein, wenn man an solarbetriebene Taschenrechner als klassischen Anwendungsfall denkt. Im Zuge technischer Fortschritte bei Energiewandlern und dem steigenden Bedarf, kleine Systeme mit Umgebungsenergie zu betreiben, entsteht eine Vielzahl an Anwendungen, die diese Technologie nutzen. Angefangen bei drahtlosen Sensorknoten für die Industrie- oder Gebäudeautomatisierung bis hin zu den zahlreichen Geräten der Consumer-Elektronik rund um das Internet der Dinge suchen die Menschen nach Energien, mit denen sich die Batterie als Hauptversorgungsquelle eines Geräts ersetzen oder so erweitern lässt, dass sich ihre Laufzeit verlängert.

Eine interessante Variante ist Mikro-Energy Harvesting. Sie erscheint jedoch nur dann als vielversprechend, wenn bestimmte Maßnahmen zur Energieaufbereitung berücksichtigt werden.

Zunächst muss aus der Umgebung gewonnene Energie „optimiert“ werden, bevor man sie zur Versorgung von Systemen nutzen kann. Ein typischer Mikro-Energy Harvester weist eine hohe Ausgangsimpedanz auf und erschwert somit die direkte Versorgung von Systemen. Eine Schaltung zur Anpassung der Impedanzen ist erforderlich, damit der Großteil der Energie aus dem Harvester gewonnen wird. Hinzu kommt, dass zum Beispiel bei Photovoltaik-Harvestern und Thermoelektrischen Generatoren (TEG) die Ausgangsspannungen Werte bis hinunter auf ~400 mV, an einer einzigen PV-Zelle bis ~100 mV bei einem Temperatur-Delta <10 K am TEG annehmen können. Dies verlangt einen Aufwärtsspannungsregler zur Versorgung eines Systems mit der geeigneten Betriebsspannung.

Auch kann bei vielen Anwendungsfällen mit begrenzter Harvester-Größe die Menge der aus der Umgebung entnehmbaren Leistung auf 10 µW bis ungefähr 1 mW begrenzt sein. Dies erfordert den Einsatz eines Leistungsreglers, der Leistung für diesen Betriebsbereich <1 mW effizient wandeln kann. Da alle Power-Management-ICs (PMICs) ihren eigenen Ruhestrom (Iq) aufweisen, ist es wichtig, die Leistungsverluste, die bei PMICs im Betrieb oder im Standby und bei nicht vorhandener Umgebungsenergie entstehen, zu minimieren.

Schließlich kann auch die Verfügbarkeit von Energie unregelmäßig sein. Um auch bei fehlender Umgebungsenergie den kontinuierlichen Betrieb eines Systems sicherzustellen, können bestimmte Energiespeicher wie zum Beispiel Akkus oder große Kondensatoren erforderlich sein. In einigen anderen Fällen könnte man als letzte Möglichkeit an den Einsatz zusätzlicher kleinerer Primärzellenbatterien als ergänzende Energiequellen denken. Bei allen erwähnten Leistungspfaden einschließlich Harvester, Akku und Primärzellenbatterie ist eine effiziente Priorisierung der Energiequelle erforderlich, um die angeschlossene Last kontinuierlich zu versorgen.

Alle Anwendungsfälle sind anders, stellen jedoch einige gemeinsame Anforderungen. Mit tieferem Systemverständnis und der Wahl der geeigneten Lösung zur Aufbereitung der Energie gewinnt Energy Harvesting an Dynamik, eine vielversprechende Energiequelle als Ergänzung zur Batterie zu werden oder, falls der Einsatz einer Batterie nicht angebracht ist, die Hauptenergiequelle komplett zu ersetzen. Ausgehend von der weiteren Optimierung der Harvester-Technologie hin zu noch höherer Effizienz, um bei gleichem Formfaktor mehr Energie aus der Umgebung zu gewinnen, und der kontinuierlichen Reduzierung des Energieverbrauchs von Subsystemen, wird es an dem Punkt, an dem sich Versorgung (Energy Harvester als Energiequelle) und Bedarf (System-Energiebudget) treffen, in vielen Bereichen von Industrie- und Consumer-Anwendungen zu einem verstärkten Einsatz von Energy Harvesting kommen.

Analog Devices ist bestrebt, ein innovatives Power-Management zu entwickeln, damit Systementwickler die Herausforderungen bei der Realisierung zukunftsweisender Mikro-Energy-Harvesting-Systeme meistern können.

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