Energy-harvesting versus batterijen voor een decennia-lange werking van IoT-sensors

De beschikbaarheid van IC's met ultra-laag energieverbruik heeft geleid tot een snelle toename van op sensors gebaseerde circuits en systemen die aan een paar microampère of milliampère genoeg hebben om te kunnen werken. Deze producten worden gebruikt voor omgevingsbewaking (veiligheid, temperatuur, aardbevingen), goederenvolgsystemen, energie-/stroommeting en medische monitors, om maar een paar voorbeelden te noemen.

Veel van dergelijke units moeten tien, twintig of meer jaar werken, maar het is vaak moeilijk of onmogelijk om er toegang toe te krijgen om de batterijen te vervangen. Ook is het vervangen van batterijen vaak kostentechnisch onhaalbaar.

Dit betekent dat ontwerpers de nodige aandacht aan dit aspect moeten besteden en moeten kiezen tussen opties, of een combinatie van opties, waaronder:

• Energy-harvesting, oftewel energie oogsten
• Een oplaadbare (secundaire) batterij met energy-harvesting
• Een niet-oplaadbare (primaire) batterij met ultra-lange levensduur
• Een supercondensator met primaire batterij met ultra-lange levensduur

In dit artikel wordt ingegaan op de verschillende opties die ontwerpers tot hun beschikking hebben en worden de voor- en nadelen van deze opties afgewogen. Hierbij worden oplossingen van Tadiran, Analog Devices, KEMET en Texas Instruments gepresenteerd en wordt het gebruik van dergelijke oplossingen besproken.

Is energy-harvesting een slimme optie?

Of energy-harvesting, of energie oogsten, al dan niet slim is hangt af van de toepassing. Wat zeker is, is dat het oogsten van energie een aantrekkelijke en veel gebruikte techniek is om stroom te leveren tegen kosten die in eerste instantie laag of zelfs nul lijken te zijn. De vier sleutelelementen van energy-harvesting zijn:

• Opwekking van energie (bron)
• Omzetting (met behulp van de een of andere transducer)
• Opslag (voor gebruik op een later moment)
• Distributie (de energie op efficiënte wijze aan de vereiste circuits leveren)

De eerste uitdaging bij energy-harvesting is het identificeren van de meest haalbare energiebron om aan te boren. Veel gebruikte bronnen zijn zonne- en windenergie, waterkracht, thermisch differentieel, afvalwarmte of magnetische inductie. Een andere bron is een vorm van minuscule vibratie of beweging, die kan worden opgewekt door lopen, geo-trilling of motortrilling.

Het is belangrijk om te onthouden dat, de termen energie en vermogen vaak door elkaar worden gebruikt, met name door het grote publiek. Maar alhoewel ze met elkaar verwant zijn, verschillen ze toch van elkaar. Energie is de capaciteit om werk te doen, terwijl vermogen de snelheid is waarmee energie wordt verzameld of verbruikt. Dat betekent dat energie de tijdsintegraal van vermogen is, terwijl vermogen de tijdsafgeleide is van energie. In een energie-oogstsysteem moet de hoeveelheid verzamelde en opgeslagen energie gelijk aan of groter dan diens vermogensintegraal zijn, anders zal het systeem niet voldoende vermogen hebben om op lange termijn te functioneren. Met andere woorden, energie kan niet als vermogen in het aggregaat worden verbruikt op een hogere snelheid dan waarmee hij in de loop der tijd wordt verzameld.

Nadat de energiebron, waarvan geoogst kan worden, geïdentificeerd is, is een transducer nodig om de energie te vangen en in elektrische energie te transformeren. Deze transducer kan vele vormen aannemen: een microturbine, een zonnecel (of -paneel) of een piëzo-elektrisch kristal, om maar enkele mogelijkheden te noemen. De volgende stap is om te beslissen hoe deze grillige, vaak onvoorspelbare en meestal kleine hoeveelheid energie moet worden opgeslagen, zodat er naar behoefte gebruik van kan worden gebruikt om de elektronica te voeden.

Batterij, supercondensator, of allebei?

De twee meest haalbare opties voor opslag zijn de oplaadbare batterij of de supercondensator, soms ook wel ultracondensator genoemd (maar de formele naam is elektrische dubbellaagse condensator, EDLC). Of er voor een oplaadbare batterij of een supercondensator moet worden gekozen, wordt grotendeels bepaald door de grootte, duur en inschakelduur van de toepassing.

Over het algemeen kunnen standaard (niet-super) condensators grote hoeveelheden stroom leveren, maar slechts een relatief kleine hoeveelheid energie per volume-eenheid opslaan. Batterijen kunnen daarentegen grotere hoeveelheden energie opslaan, maar hebben lagere stroomwaarden. Tussen deze twee oplossingen in vinden we de supercondensators, die een betere balans tussen energie en vermogen bieden.

In vergelijking met batterijen bieden supercondensators verschillende voordelen:

• Supercondensators gebruiken fysieke ladingopslag in plaats van een chemische reactie, zodat ze zeer snel (in de orde van grootte van milliseconden tot seconden) kunnen worden opgeladen en ontladen
• Anders dan bij batterijen heeft de oplaad- en ontladingscyclus van een supercondensator een bijna onbeperkt levensduur, omdat deze niet van chemische reacties afhankelijk is
• Het ladingsbeheer van supercondensators is eenvoudiger dan bij batterijen, omdat ze alleen laadstroom en overspanningsbeveiliging (OVP) vereisen in plaats van de tamelijk complexe en chemie-afhankelijke algoritmen voor constante stroom en constante spanning die bij batterijen nodig zijn

De FC0V474ZFTBR24 van KEMET is bijvoorbeeld een supercondensator van 47 millifarad (mF) in een kleine, hermetisch afgesloten bus van 10,5 millimeter (mm) hoog en met een diameter van 8,5 mm, met een nominale spanning van 3,5 volt (Afbeelding 1). In het onwaarschijnlijke geval van een lek in de afdichting, komt alleen onschadelijke waterdamp (een gas) vrij, als resultaat van de fase-overgang van het vloeibare water in de elektrolyt (verdund zwavelzuur) naar gas.

Afbeelding 1: De supercondensator model FC0V474ZFTBR24 van KEMET is een 3,5 volt, 47 mF unit een hermetisch afgesloten bus van slechts 10,5 mm hoog en met een diameter van 8,5 mm. (Bron afbeelding: KEMET Corp.)

Oplaadbare batterijen kunnen worden gebruikt in bepaalde lange-termijn situaties en zijn optimaal voor toepassingen waar de stroomafname laag maar relatief constant is, zonder hoge pieken en met lage inschakelduren. Sommige ontwerpen gebruiken een combinatie van een oplaadbare batterij met een supercondensator waarbij de batterij de condensator via druppellading oplaadt en de condensator op zijn beurt stroom levert voor piekbelastingen.

Voor de meeste lange-termijn toepassingen zijn batterijen op basis van lithium-ion-chemie (Li-ion de beste keus uit de vele beschikbare standaard chemicaliën, zowel voor wat de elektrische prestaties als wat de energiedichtheid per volume en per gewicht betreft.

Er bestaan echter belangrijke verschillen tussen de verschillende lithium-chemicaliën met betrekking tot attributen zoals uitgangsspanning, laad-/ontladingskarakteristieken, spanning versus resterende capaciteit, bedrijfstemperatuurbereik en aantal oplaad-/ontladingscycli. Laatstgenoemde is, net als andere batterijspecificaties, ook afhankelijk van de ontladingsdiepte per cyclus. In Tabel 1 vindt u high-level overzicht van de belangrijkste kenmerken van twee veelgebruikte chemische samenstellingen voor secundaire batterijen - nikkel-cadmium (NiCad of NiCd) en Li-ion - evenals twee basistypen bulkcondensators.

Tabel 1: oplaadbare batterijen en condensators hebben verschillende combinaties van algemene topattributen. (Bron afbeelding: KEMET Corp.)

Het concept is simpel, maar in de praktijk is het moeilijk om de benodigde milliampère-uur (mAh) capaciteit van het energieopslagelement te bepalen voor toepassingen die een extreem lange levensduur vereisen. Terwijl de analyse op het eerste niveau gebaseerd is op de integraal van het benodigde vermogen, inclusief ruststand, stabiele toestand en gepulseerde modi, is er meer om over na te denken bij het maken van ontwerpen met deze apparaten. Problemen als verliezen als gevolg van interne equivalente serieweerstand (ESR) en temperatuurgerelateerde degradatie zijn slechts twee van de verschillende factoren waar rekening mee moet worden gehouden. Dit betekent dat het gegevensblad en de verschillende grafieken van de batterij of supercondensator zorgvuldig moeten worden bestudeerd.

Systeemvoedingsbeheer: een doorlopende uitdaging

Ongeacht of er voor een batterij, supercondensator of een combinatie van beide wordt gekozen, het beheer van de energiestroom van de oogst-transducer naar het (de) opslagelement(en) en de levering van de energie aan de gebruiker is een kritische kwestie bij het ontwerpen. Deze functie moet ervoor zorgen dat de geoogste energie, gewoonlijk een zeer kleine hoeveelheid, zo efficiënt mogelijk naar het opslagelement wordt overgebracht, zonder dat hierbij de levensduur van de cellen wordt verkort door overbelasting. De beheerfunctie moet zo nodig ook de stroom meten, en hiervoor zelf zeer weinig stroom verbruiken. Ook moet de functie de ontladingscyclus beheren, om diepe ontlading te voorkomen, waardoor het aantal laad-/ontladingscycli op volle capaciteit van de batterij zou afnemen.

Aan de uitgangszijde moet de beheerfunctie ook DC/DC-regeling implementeren, zodat de rail van de gebruiker op een constante spanning blijft, ondanks variaties in de spanning van het opslagelement en de vraag van de gebruiker. Afhankelijk van de gekozen batterij of condensator kan deze regeling voor wat betreft de vereisten van de gebruiker een buck- of boost-modefunctie zijn. Het kan ook een gecombineerde buck/boost-regelaar zijn wanneer de uitgangsspanning van het opslagelement heen en weer gaat van een waarde boven tot een waarde onder de gewenste DC-rail.

De LTC3331EUH#PBF van Analog Devices is bijvoorbeeld een nano-power buck/boost DC/DC-regelaar met een energie oogstende batterijlader die geoptimaliseerd is voor de hogere bronspanningen van zonnecellen (Afbeelding 2). Hij kan echter ook worden gebruikt met lagere spanningsbronnen om de fundering te vormen van een compleet energie-oogstsysteem met batterij-backup. De LTC3331 zit in een kleine, 5 mm × 5mm metende QFN-32-verpakking en is voorzien van dubbele ingangen (bijvoorbeeld voor zonne-energie en piëzo als oogstbronnen) en een DC/DC-regelaar met enkele uitgang die de prioriteit tussen de twee ingangen bepaalt.

Afbeelding 2: de LTC3331 van Analog Devices kan twee oogstbronnen beheren en bepalen welke de prioriteit heeft en twee supercondensators plus een batterij beheren, met een spanningstoevoer tussen de 1,8 volt en 5 volt bij maximaal 50 mA (links). Ook is de timingsequens van de LTC3331 tijdens het opladen van een batterij met geoogste energie te zien (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ingangen voor energieoogst kunnen tussen de 3,0 volt en 19 volt liggen, met een batterijspanning van maximaal 4,2 volt; de geregelde uitgangsrail kan worden ingesteld tussen 1,8 volt en 5 volt bij 50 mA. Hij ondersteunt ook het gebruik van twee in serie geschakelde supercondensators, waarbij de energieopslag en efficiëntie worden verhoogd door middel van automatische celbalancering.

De buck- en boost-converters worden geregeld door de prioriteit-bepaler. Deze selecteert de te gebruiken bron op basis van de beschikbaarheid van een batterij en/of oogstbare energie. Als er geoogste energie beschikbaar is, is de buck-regelaar actief en staat de buck-boost uit. Een ingebouwde shunt-batterijoplader van 10 mA met afkoppeling bij lege batterij maakt het mogelijk de backup-batterij op te laden om diens levensduur aanzienlijk te verlengen. De ruststroom, een kritische factor bij de efficiëntie van regelaars, met name in op energy-harvesting gebaseerde ontwerpen, bedraagt onbelast slechts 950 nA.

Het probleem van lange-termijn voeding opgelost – of misschien ook niet

Als het lijkt dat beslissingen over de beschikbare oogstbron, de keuze tussen batterij of supercondensator en andere afwegingen ten aanzien van voor- en nadelen van systemen ingewikkeld zijn, het zij zo. Maar er zijn twee grotere problemen bij het gebruik van oogsten als energiebron, met name in het geval van batterijen. Op de eerste plaats hebben oplaadbare batterijen geen oneindig aantal laad-/ontladingscycli. Hun typische capaciteit van 1000 of 2000 cycli, zelfs onder optimale laad-/ontladingscondities en temperatuur, volstaat niet voor wat voor een decennia-lange werking vereist is.

Op de tweede plaats is er een groter, moeilijk te kwantificeren probleem met betrekking tot de energiebron en transducer. Zal de zonnecel echt tientallen jaren volledig verlicht zijn, ook in geval van vuil, stof, of iemand die iets in de buurt bouwt en het licht blokkeert, of bomen die groeien waardoor de cellen in de schaduw komen? Zal de trillingbron altijd stimulatie ontvangen, ook als de instellingen en de bedrijfsomgeving veranderen? Dit zijn zeer ingewikkelde problemen waar men in veel real-world installaties mee te maken krijgt en die een hoge mate van competentie vereisen om te worden overwonnen.

Met betrekking tot energieopslag bijvoorbeeld, het gaat ergens ook tegen onze intuïtie in dat een niet-oplaadbare primaire celbatterij decennia lang mee zou moeten gaan, als bedraagt de belasting slechts een paar micro- of milliampère; zou zo'n batterij op de lange duur niet uitdrogen, roesten of andere problemen gaan vertonen? Maar wanneer we het juiste type primaire batterij gebruiken, onder de juiste omstandigheden, vormt deze echter daadwerkelijk een zeer haalbaar alternatief voor energy-harvesting. Bovendien worden bij gebruik van primaire cellen per definitie alle problemen in verband met laad-/ontladingscycli en beheer voorkomen.

Dat is allemaal maar, maar aan de andere kant hebben primaire cellen te lijden van een onvermijdelijk en schadelijk fenomeen dat zelfontlading wordt genoemd; er is een kleine maar significante hoeveelheid interne lekstroom, zelfs als de batterij geen belasting heeft of fysiek is losgekoppeld. Deze zelfontlading ligt voor de meeste soorten primaire, op lithium gebaseerde cellen in de orde van 3 tot 4% van de begincapaciteit per jaar.

Een basale rekensom laat zien dat met een zelfontlading van 4% de celcapaciteit in ongeveer 12 jaar zal dalen tot ongeveer de helft van zijn oorspronkelijke waarde, zonder het verlies aan capaciteit als gevolg van het ondersteunen van de belasting mee te tellen. De zelfontlading leidt ertoe dat het bepalen van de levensduur met behulp van een eenvoudige berekening van door de belasting getrokken stroom versus de initiële batterijcapaciteit erg optimistisch en eerlijk gezegd onrealistisch is. Om die reden zijn de meeste primaire cellen niet geschikt voor lange-termijn toepassingen die tientallen jaren duren.

Batterijen op basis van lithiumthionylchloride (LiSOCl₂) die gebruik maken van een interne indeling van het bobinetype en propriëtaire fabricageprocessen, kunnen decennia lang meegaan, zonder overmatige zelfontlading. Wanneer deze worden gebruikt op de zeer lage stroomniveaus die veel circuits vragen, in combinatie met hun zelfontlading van minder dan 1%, kunnen ze een systeem voor twee, drie en zelfs vier decennia voeden (Afbeelding 3). Bovendien zijn ze licht in gewicht maar dicht in capaciteit: een hoogperformante LiSOCl₂-cel biedt een energiedichtheid per gewicht van ~650 watt-uur per kilogram (W-hr/kg) en per volume van ~1280 W-hr/kubieke decimeter.

Zie Afbeelding 3, de LiSOCl₂ XOL-serie van Tadiran levert na 20 jaar nog 86% van de nominale capaciteit (links). De LiSOCl₂ XTRA-serie is na 10 jaar op 80%, terwijl batterijen met andere chemische samenstellingen op 70% staan (midden). De hoge jaarlijkse zelfontladingswaarden van lithium-mangaandioxide (LMNO₂₎- en alkalinecellen maken een batterijlevensduur van 10+ jaar onhaalbaar (rechts).

Afbeelding 3: batterijcapaciteit voor drie verschillende chemische samenstellingen na 10 en 20 jaar, uitsluitend door verlies als gevolg van zelfontlading (geen belasting). De LiSOCl₂ XOL-serie van Tadiran levert na 20 jaar nog 86% van de nominale capaciteit (links); de LiSOCl₂ XTRA-series 80% na 10 jaar, andere chemische samenstellingen nog maar 70% (midden). De hoge jaarlijkse zelfontladingswaarden van (LMNO₂₎- en alkalinecellen maken een batterijlevensduur van 10+ jaar onhaalbaar (rechts). (Bron afbeelding: Tadiran Batteries)

Het sleutelelement voor de lage zelfontlading van LiSOCL₂ is een passivatielaag van lithium-chloride (LiCl) die zich inherent op het oppervlak van de anode vormt zodra het lithium in contact komt met het elektrolyt, waardoor verdere reactie of verlies van capaciteit worden voorkomen. Dit is een imperfecte isolator die de omvang van zelfontladingsstroom sterk beperkt, maar wordt gedeeltelijk "opzij geschoven" door de stroom op laag niveau wanneer de gebruiker erom vraagt.

In theorie kan de dikte van de passivatielaag door aanpassingen in ontwerp en fabricage worden vergroot om de zelfontlading nog verder te beperken, maar dan zou de cel bij hogere stroomwaarden van de gebruiker niet goed meer werken. We staan voor de volgende afweging: een lage zelfontlading accepteren, maar het gebruik beperken tot toepassingen die weinig stroom trekken, of de zelfontlading verder verhogen, maar de cel voor minder tijd bij een hogere stroomafname gebruiken (voor een gegeven capaciteit).

Er bestaan cellen die zijn geoptimaliseerd voor ultra-lage stroomafname. Bijvoorbeeld de primaire celbatterij TL-4902/S ½ AA LiSOCl₂ van de XLO-serie van Tadiran, die slechts 25 mm lang is bij een diameter van 14,5 mm. Deze cilindervormige batterij heeft een aansluitklemspanning van 3,6 volt, met een nominale capaciteit van 1,2 Ah bij 0,5 mA tot 2 volt (Afbeelding 4). De uitgangsspanning is constant door de tijd heen, wat dramatisch toeneemt met lagere stroomtrekniveaus en 100.000 uur bereikt bij 10 microampère (µA).

Afbeelding 4: de primaire batterij TL-4902/S LiSOCl₂ van Tadiran kan 10 µA leveren voor 100.000 uur, zonder afname in de uitgangsspanning. (Bron afbeelding: Tadiran Batteries)

En hoe zit het met toepassingen met gepulste stroom?

Merk op dat het “doorbreken” van de passivatielaag enige milliseconden duurt, dus wanneer het gebruikerscircuit stroom vraagt, is er in werkelijkheid een tijdelijke spanningsval, gevolgd door een langzame stijging van de nominale uitgangsspanning. Daarom moeten ze, om de lange levensduur waartoe deze cellen in staat zijn te maximaliseren, niet voor gepulseerde stroomgebruikers worden gebruikt, maar in plaats daarvan als bronnen van continue lage stroom dienen.

Dat gezegd hebbende, er bestaat een handige en praktische oplossing voor gepulseerde belastingen: de batterij met lange levensduur, continue ontlading en lage stroomsterkte combineren met een supercondensator. Hier is het circuit zo geconfigureerd dat de batterij de supercondensator voortdurend met een lage stroomwaarde oplaadt, terwijl de supercondensator wordt gebruikt om de hogere pulsstroom te leveren (Afbeelding 5). In feite gebruikt deze configuratie de batterij als de te oogsten energiebron, zij het niet in het standaard gebruik van de term.

Afbeelding 5: ontwerpers kunnen in een gemakkelijk te beheren configuratie vermogen op ultra-lange termijn voor gepulseerde belastingen krijgen door een continue, lage stroom van een primaire cel met een lange levensduur te gebruiken om een supercondensator te druppelladen en vervolgens de supercondensator te gebruiken om gepulseerde belastingen met lage inschakelduur te ondersteunen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De TPS62740 IC van Texas Instruments is bijzonder geschikt voor deze configuratie (Afbeelding 6). Deze buck-converter accepteert een ingangsspanning tussen de 2,2 volt en 5,5 volt, heeft een ruststroomspecificatie van 360 nA en werkt met een kleine inductor van 2,2 microhenry (µH) en een uitgangscondensator van 10 microfarad (μF), voor een stroomtoevoer van maximaal 300 mA.

Afbeelding 6: de TPS62740 step-down converter van Texas Instruments maakt het mogelijk om een batterij te gebruiken om de kleine condensator op te laden, zodat ontwerpers optimaal gebruik kunnen maken van de attributen van elk energieopslagelement. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

In een typische toepassing is de primaire LiSOCl₂-cel direct met de TPS62740 verbonden en wordt bestuurd door een microcontroller die de buck-converter inschakelt/uitschakelt, de uitgangsspanning aanpast en efficiënt opladen mogelijk maakt (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: door de TPS62740 te combineren met een primaire LiSOCl₂-cel en condensator, bestuurd door een microcontroller, wordt een efficiënt en duurzaam subsysteem voor voedingsbeheer met lage ruststroom verkregen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De uitgang van de buck-converter wordt verbonden met twee stroombegrenzende weerstanden om het opstartproces te beheren; dit is nodig om de supercondensator vooraf op te laden tot zijn minimumwaarde van 1,9 volt. Nadat de opslagcondensator vooraf is opgeladen, wordt de schakelaar geactiveerd en wordt de stroom beperkt door de gecombineerde weerstand. Met deze configuratie kan een gebruiker met lage inschakelduur en hoge piekstroombelasting, zoals een draadloos IoT-knooppunt, worden ondersteund, met een maximale levensduur van de batterij en decennia-lange werking.

De benadering met primaire celbatterij heeft drie voordelen ten opzichte van oogsten met een oplaadbare batterij, zelfs als hieraan een supercondensator voor pulsstroombuffering wordt toegevoegd:

• Eliminatie van de kosten van de oogst-transducer zelf en de onzekerheden van de haalbaarheid hiervan op lange termijn.
• Eliminatie van problemen met batterijbeheer in verband met het beperkte aantal laad-/ontladingscycli en de afhankelijkheid van ontladingsdiepte en bedrijfstemperatuur van batterijen.
• Vereenvoudiging van het subsysteem voor voedingsbeheer

Conclusie

Een stroomvoorziening ontwikkelen die tientallen jaren lang energie levert zonder dat hij verdere aandacht of interventies behoeft, is een grote uitdaging. Dat geldt zelfs voor de relatief bescheiden vereisten van de met ultra-lage stroom en vermogen werkende ontwerpen die voor veel op sensors gebaseerde IoT-toepassingen worden gebruikt.

Gebruik van de primaire batterij LiSOCl₂ met lage passivatie alleen voor op lage stroom werkende toepassingen, of batterijen met die chemische samenstelling in combinatie met een supercondensator voor gepulste belastingen met korte inschakelduur biedt een excellent alternatief voor de meer voor de hand liggende, wellicht meer intuïtieve keuze voor energy-harvesting met een oplaadbare batterij.