Sådan kan energy harvesting føre til nye IoT-applikationer med endnu lavere forbrug – og uden behov for ekstern strømforsyning. Det har åbnet døren for de såkaldte ambiente IoT-produkter
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 1 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Tristan Cool, product marketing manager, Silicon Labs
Energy harvesting er ikke nyt inden for elektronikken. Solceller er blandt de ældste og mest udbredte energy harvesting-koncepter, og solceller forsyner i dag alt lige fra elektricitetsnettet over droner og batteriladere til trådløs havebelysning. Men der kommer flere former for energy harvesting til. Og parallelt med udviklingen af nye sensorteknologier, processorer med ultralavt forbrug og forenklede AI-modeller fører det til stadigt mindre elektronikprodukter som medicinske wearables, der anvender et bredt udsnit af de rådige teknologier.
Sol og vind er almindeligt udbredt, men andre fysiske kræfter kan også oversættes til elektrisk energi som RF-bølger, vibrationer (kinetisk energi), magnetfelter og varmeforskelle. Men hvorfor har disse teknologier ikke været brugt før?
Den primære årsag er, at disse kilder kun giver en beskeden mængde energi ned til nogle få mikrojoule (µJ). Men med den løbende udvikling af ultra-lowpower elektronik kan selv små dryp af energi bruges til at støtte et batteri og forlænge både funktions- og batterilevetid.
Ambiente IoT-produkter har flere fordele som:
• Øget fleksibilitet i installationen (intet behov for strømforsyning).
• Ingen udgifter til batterier.
• Reducerede vedligeholdsomkostninger (ingen batteriskift).
• Øget pålidelighed.
• Øget produktlevetid.
• Mindre miljøpåvirkning (intet træk på elnettet og intet affald fra batterierne).
• Færre restriktioner med hensyn til transport i forhold til produkter med batterier.
Mange eksisterende applikationer kan ændres til at anvende energy harvesting som smart home-produkter som trådløse kontakter og låse, smarte bygninger, asset-tracking, smart metering og fabriksautomation. Det er også helt sikkert, at IoT-miljøet fortsat udvikler sig, så fremskridt inden for energy harvesting og ambient IoT vil føre til helt nye IoT-applikationer.
Ambiente IoT-produkter
Sol-/fotoceller er som nævnt dagens mest udbredte energy harvesting-metode med en gennemprøvet teknologi, høj pålidelighed og en konsistent funktion såvel uden- som indendørs. Et typisk lysbaseret energy harvesting-system starter med en PV-celle (fotovoltaisk), der konverterer lys til elektrisk energi. Effektiviteten afhænger af lysintensitet og -vinkel samt fotocellernes materialer.
Alle fotovoltaiske forsyninger kræver også en power management-IC (PMIC) til styring af spænding, løft af effekten og såkaldt MPPT (Maximum Power Point Tacking) for optimering af energifangsten.
Designere af ambiente IoT-produkter kan ikke som udgangspunkt forvente, at de fysiske kræfter, elektronikken skal forsynes fra, er frit til rådighed. Det gælder i særdeleshed ved brug af sollyset. Enhver ambient energikilde er kun sporadisk til rådighed, og visse former for energilagring vil i den forbindelse uden tvivl være en nødvendighed. Lagringsoptioner omfatter:
• Supercaps.
• Tyndfilmkondensatorer.
• Solid-state kondensatorer.
• Hybride litiumkondensatorer.
• Genopladelige batterier.
• Trykte batterier.
Valget vil i høj grad afhænge af den specifikke applikations energiprofil og duty cycle. Endelig vil ethvert ambient IoT-system have en belastning i form af et embedded system, der forbruger energi som en sensornode eller en trådløs transmitter.
Ambiente IoT-designs
Der er mange sensorapplikationer, hvor data kun bliver genereret nu og da, eller hvor de opsamlede data kun skal rapporteres med aperiodiske intervaller. Disse applikationer er ideelle kandidater til ambiente IoT-produkter, som ikke kræver en ”always-on” kommunikationsforbindelse. Faktisk skal kommunikationsmodulerne i disse produkter kun være aktive i korte perioder. De to mest åbenlyse RF-protokoller til denne slags ultra-lowpower komponenter er Bluetooth Low Energy (BLE) og Zigbee Green Power, da de begge er designet til at trække en minimal effekt.
Der er i den forbindelse to funktioner/specifikationer, som ambiente IoT-applikationer kan have stor glæde af, nemlig ultrahurtig koldstart med et lavt forbrug og wake-ups fra deep-sleep tilstande.
Ultrahurtig lavenergi koldstart gør applikationerne i stand til at starte fra en nulenergi-tilstand for at transmittere pakker for derefter øjeblikkeligt at returnere til sleep-tilstanden. Silicon Labs’ xG22E udfører wake-ups på kun otte millisekunder og bruger kun 150µJ rundt regnet 0,003 procent af den energi, som en 60W-ækvivalent LED-lyskilde bruger på ét sekund.
En anden funktion til at bevare energi i ambiente IoT-applikationer er en deep-sleep wake-up option som RFSense, GPIO, og RTC, der kan vække kilder fra selv den dybeste EM4 sleep-tilstand.
For yderligere at supportere og accelerere udviklingen af energy harvesting-forsynede produkter opstår der konstant nye designmiljøer til udvikling af ambiente IoT-produkter, så designere uden det store besvær kan sammenligne de forskellige RF-protokoller på en nem og bekvem måde.
Desuden tillader effektive energitilstande en jævn overgang mellem de forskellige energitilstande med en samtidig minimering af strøm-spikes eller inrush-strømme, som omvendt ville kunne skade energilagringskapaciteten.
Jo mere fleksibelt et udviklingsmiljø er, desto bedre. Hvor solceller er den mest almindelige energikilde, er der nu ingen grund til at designs skal begrænses til kun ét fysisk domæne. Designmiljøerne skulle gerne give designerne mulighed for at evaluere mere end én energikilde for samtidigt at kunne høste kombinationer af indendørs og udendørs lys, termiske forskelle og elektromagnetiske bølger uden at kompromittere effektiviteten i energikonverteringen.
Jo bredere et udvalg af energikilder et givent designmiljø understøtter, desto bedre kan man som designer undersøge muligheder i andre energiformer som varme, bevægelser og tilfældig pulserende energi.
Endelig vil designere, som arbejder med ambiente IoT-projekter, kunne have glæde af designmiljøer, der gør dem i stand til at eksperimentere med forskellige energilagringsoptioner som alternative batterikemier og supercaps (superkondensatorer). Det vil give adgang til en optimeret ydelse på tværs af en lang række af applikationer.
Konklusion
Energy harvesting lyder måske som et nichekoncept, men det er ingenlunde tilfældet. Selv om sol og vind er mest udbredt, så bygger mange andre former for energy harvesting på velkendte principper med support fra en lang række af sensorer, der alle er produktionsmodne.
Fremtiden inden for energy harvesting vil omfatte applikationer, som får energi fra kilder ud over sol og vind på både makro- og mikroniveauer. På et makroniveau bruges der i vid udstrækning regenerativ bremseenergi i flere hybride og elektriske køretøjer. Disse systemer opsamler en stor portion kinetisk energi, som ellers bare ville blive tabt som varme under opbremsning, men i stedet kan energien bruges til genopladning af en elbils batterier.
På mikroniveau bruges der en række energy-harvesting teknikker i mange produkter til forlængelse af en batteriforsynings brugstid – og endda som den eneste energikilde. Det er produkter som fitness-trackers, industrielle automationssystemer, dæktryksmonitorer og RFID-tags.
I fremtiden vil også nedskalerede AI-modeller kunne give markante fremskridt i ydelsen og funktionen af embeddede processorer, der arbejder med ekstremt begrænsede computer-ressourcer sammenlignet med almindelige CPU- eller GPU-løsninger – eller endda i forhold til tidligere generationer af embeddede processorer. Faktisk bliver AI nu anvendt til at hjælpe elektronikken til at afgøre, om den skal gå i wake-up tilstand eller ej under en forventning om, at disse IoT-produkter kun vil forbruge energi, når det er absolut nødvendigt.
Tilgængeligheden af de stadigt ”lettere” AI-løsninger er selvfølgelig et incitament til at designe endnu mere avancerede, letvægtsprodukter med et exceptionelt lavt forbrug, hvilket i høj grad er værd at tage med i overvejelserne, når man tænker i nye energy harvesting-metoder, som tidligere ville have været upraktiske på grund af en minimal effektivitet.
Muligheden for at kunne fungere i energibegrænsede miljøer er på vej til at transformere branchen. Indledende projekter demonstrerer, at man med velegnet profilering og med visse design trade-offs kan skabe systemer, der er selvforsynende med netto-negative strømtræk under de fulde sleep-cycles mellem transmissionerne. Det underbygger ikke bare bæredygtigheden i energy harvesting-arkitekturer, men beviser også betydningen af at vælge low-power komponenter og kontinuert optimere firmwarens behaviour baseret på den real-time energi, der er til rådighed.
Brug af supercaps og hybride energilagringsløsninger gør ydermere IoT-systemer robuste især i perioder, hvor de fysiske omgivelser ikke leverer så meget energi. Hvis ambient IoT fortsætter sit gennembrud, er fremtiden for batteriløse IoT-produkter ikke kun lovende – fremtiden er allerede inden for rækkevidde.
Billedtekst:
Indhold af Silicon Labs EFR32xG22E Energy Harvesting Explorer Kit. Solcellen er et fotovoltaisk system, P121 R1H, som er udviklet til udendørs brug. Energilagring sker på en Tecate 10F 3,8V litium-supercap.
