Energihøsting: Nye perspektiv og muligheter

Inntil nylig har energihøstingsløsninger bare eksistert i noen få forbrukerprodukter, siden pris har vært en vesentlig faktor. Dette er generelt applikasjoner med solceller for utstyr som mobiltelefoner, back up-batterier, sportsutstyr eller lommekalkulatorer. Imidlertid er situasjonen helt forskjellig for industriapplikasjoner der system- og vedlikeholdskostnader er helt avgjørende. I tilfeller der det ikke er enkelt å bytte batteri, eller utstyret er vanskelig tilgjengelig, kan energihøsting være et alternativ. Slike applikasjoner finner man for eksempel i bygningsovervåkning, strukturell overvåkning av anlegg, i kjemiindustrien eller i generell fabrikkautomatisering.

Følgende typer av energihøsting er tilgjengelig i form av omgivelsesenergi:
Termisk energi:  25 µW/cm² (menneskelig kroppsvarme), opp til 1 mW/cm² industriell restvarme
Solceller:  100 µW/cm² under kunstig belysning og opp til 10-100 mW/cm² i sollys
Vibrasjon/bevegelse:  4 µW/cm² menneskelig kinetisk energi og opp til 800 µW/cm² mekanisk vibrasjon/bevegelse
RF-bølger over antenner:  < 1 µW/cm², kun nærfelt

Om en energihøstingsløsning er teknisk mulig, avhenger mye av regulær tilgjengelighet av energikilden. Som regel er et system laget redundant, slik at to eller flere energikilder kan tappes. Enkelte nystartede bedrifter utvikler nye teknologier, som Micropelt i Freiburg som produserer termoelementer mikromekanisk.

Valg av energilagringssystem
Med hensyn til energibudsjettet, er en solbelysningsapplikasjon relativt enkel å beregne i forkant; solen står opp hver dag og kan derfor planlegges deretter. For denne type applikasjoner blir de viktigste spørsmålene: a) Ved hvilke intervaller bør elektronikken være aktiv, og b) hvilken type energilagringssystem passer i dette tilfellet. Imidlertid er energilagringssystemer som tåler mange ladesykler, egentlig det eneste som er praktisk. Oppladbare knappeceller har for eksempel bare 1000 ladesykler og har derfor en brukbar levetid på kun 2-3 år.

Et annet beslutningsmoment er ladestrømmen. I energihøstingsapplikasjoner er kun svært små ladestrømmer i µA- og mA-området tilgjengelig. Derfor må batteriet også være i stand til å bli ladet med denne lave strømmen.

Samtidig er det enda en utfordring: Strømmen som er  nødvendig for applikasjonen trenger raskt 10-15 mA for korte impulser når elektronikken er i aktiv drift, spesielt under trådløs overføring.

Det er også mulig å unngå energilagringssystemer helt. Bruker man for eksempel termoelektriske elementer, er det kanskje nødvendig at bare applikasjonen er aktiv, gitt at anlegget som skal overvåkes er i drift og avgir overskuddsvarme.

En relativ ny teknologi for energilagring er de såkalte tynnfilmbatterier eller mikroenergiceller. Disse har solide kapslinger som skal sørge for sikker og miljøvennlig drift. Materialet som vanligvis brukes er litium kobolt dioksid (LiCoO2) for katoden og litium eller et annet metall som anode. Litium fosfor oxynitrid (LiPON) blir brukt som den faste elektrolytten. Mengden litium er relativt liten. Uansett, EU har fortsatt ikke en egen kategori for denne produktgruppen, noe som betyr at transport- og avfallhåndteringsregler er de samme som for normale Li-ion-batterier.

Følgende tabell beskriver de forskjellige teknologiene og deres egenskaper:

Valg av ladekontroller
Valg av ladekontroller avhenger av batteriet som brukes og på spenning nødvendig for øvrig elektronikk. Imidlertid er det et viktig kriterie som alltid må møtes: Den valgte DC/DC-omformeren må ha et høyt effektivitetsnivå ved svært lave strømmer. Det er her hveten skilles fra klinten. Enkelte halvlederprodusenter har nylig lansert spesialprodukter for denne type applikasjoner; Linear Technology, Texas Instruments og Triune Systems.

Diskrete «boost»-kretser er i høy grad mulig, spesielt når en kondensator blir brukt til å lagre energi. Men når man bruker et litiumbatteri, må ladeovervåkning og et avbruddssystem implementeres.

Valg av mikrokontroller
I energihøstingsapplikasjoner er gjennomsnittlig energiforbruk avgjørende. Følgende kriteria er derfor viktig når man skal velge riktig mikrokontroller:
1)    Effektforbruk med maksimal driftseffekt i µA/MHz. Her er det mulig å oppnå toppverdier på 110 µA/MHz for en 32-bit Cortex-M0 mikrokontroller (NXP).
2)    Effektforbruk i sovemodus eller dyp sovemodus. I denne tilstanden mottar kontrolleren ofte data og statusregistre, som kun krever noen få nA strøm.
3)    Oppvåkningshastighet: Kontrolleren bør, i løpet av noen få mikrosekunder, være i stand til å skifte fra sovemodus til aktiv modus. MSP430-arkitekturen fra Texas Instruments er ofte spesifisert som målestokk her.
4)    Fleksibel konfigurasjon av periferiutstyr: Ettersom trådløs overføring, skjermer eller annet eksternt måleutstyr normalt er koblet til seriegrensesnitt som SPI eller I²C (dersom det ikke er integrert i mikrokontrolleren), er det viktig at disse grensesnittene er konfigurerbare uavhengig av klokkefrekvensen til mikrokontrolleren, så langt det er mulig. Under visse omstendigheter sparer dette energi siden klokkepulsen kan optimaliseres i forhold til oppgavene.

Valg av trådløs overføring
Det er et poeng selvsagt, at den valgte trådløse overføringen må spare strøm. I energihøstingsapplikasjoner er det hovedsakelig avstanden, og ikke i så stor grad størrelsen på dataraten som er viktig. Videre er det en fordel med protokoller som er i stand til å  organisere seg selv, for eksempel der de trådløse nodene også har en ruterfunksjon, for å videresende datapakker fra andre noder (mesh-nettverk). Men her kommer utfordringen med å vekke opp det trådløse grensesnittet raskt fra laveffektmodus for å kunne overføre data.

Proprietære ISM-båndløsninger som ZigBee blir brukt. Nytt her er også 6LowPAN-konseptet (Internettprotokoll versjon 6 via laveffekt personlig trådløse nettverk), som arbeider med IEEE802.15.4 trådløse brikker. Mange energihøstingsapplikasjoner overvåker anlegg. Derfor er det svært attraktivt å fange data gjennom en port via IP.

Innenfor byggautomatisering, eller sports- eller medisinsk utstyr, er Bluetooth 4.0 (BTLE) også en interessant opsjon, siden det muliggjør direkte mobil kommunikasjon.

Oppsummering
Nye batteriteknologier og effektive mikrokontrollere åpner opp for flere nye energihøstingsapplikasjoner. Når man velger komponenter, husk alltid på det totale energibudsjettet; løsningen som lages vil kun fungere pålitelig så lenge det blir tilført mer energi enn det som blir brukt.