Durch die Internet-of-Things (IoT)-Technologie konnten sowohl Baugröße als auch Stromverbrauch vieler Geräte erheblich reduziert werden, so dass zahlreiche neue batteriebetriebene Applikationen möglich geworden sind. Die drahtlos übertragenen Messwerte von ferngesteuerten Sensoren für die „intelligente Landwirtschaft“ helfen Landwirten beispielsweise, ihre Erträge zu steigern und ihre Betriebe umweltfreundlicher zu gestalten. In riesigen Lagern senden drahtlose Sensoren regelmäßige Messungen der Temperatur und helfen den Lagerbetreibern, die erforderlichen Bedingungen für die dort gelagerten Waren anzupassen. Diese Innovationen sind zwar wertvoll, aber das Merkmal, das ihren Betrieb ermöglicht, ist auch ihr größtes Manko: die Batterie. Ohne Batterie wäre es unmöglich, Sensoren an geografisch abgelegenen Orten zu platzieren, da in der Regel keine alternative stationäre Stromquelle zur Verfügung steht und die Installation einer solchen Stromversorgung unverhältnismäßig teuer wäre.

Abbildung 1: Der Battery Life Booster verlängert die Lebensdauer von Applikationen, die mit Knopfzellen-Batterien betrieben werden und hohe, kurzzeitige gepulste Ströme benötigen (Quelle: Nexperia)

Gepulster Betrieb verringert die Batteriespannung

Typische Umgebungsvariablen wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit ändern sich nur sehr langsam, so dass sie nicht häufig gemessen werden müssen – vielleicht nur einmal alle paar Stunden. Analog dazu müssen viele Sicherheitskameras nur dann ein Video-Signal erfassen und übertragen, wenn sie eine Bewegung an dem von ihnen überwachten Ort erkennen. Daher können diese Bauteile den größten Teil ihrer Lebensdauer im Standby- oder Sleep-Modus verbringen und werden nur in regelmäßigen Abständen aufgeweckt, um einen Messwert oder einen Videostream aufzuzeichnen und zu übertragen. Der lange Sleep-Modus spart zudem Strom (nur wenige Mikroampere), und die Geräte können mit primären Lithium-Knopfzellenbatterien (z. B. CR2032) oder Lithium-Thionylchlorid (z. B. LS14250) mehrere Jahre lang betrieben werden. Nichtaufladbare Lithium-Primärbatterien haben eine hohe Energiedichte und sind lange haltbar.

Der Sleep-Modus ist für Lithium-Primärbatterien kein Problem. Problematisch sind jedoch die seltenen periodischen kurzen Aktivitätsphasen (gepulster Modus), wenn der Mikrocontroller, die Sensoren und der drahtlose Funk (LoRa, WiFi, Zigbee) des Geräts mit voller Leistung betrieben werden. Diese Pulse dauern zwar nur wenige Millisekunden, verbrauchen aber 10 bis 100 Milliampere und belasten eine Knopfzelle erheblich. Die Hersteller von Knopfzellen geben die Lebensdauer dieser Produkte mit relativ niedrigen Standard-Stromaufnahmen an (<1–3 mA). Ein längerer Einsatz in diesem kurzen, gepulsten Modus mit hohem Strom schadet der Gesamtkapazität (Lebensdauer) der Zelle und verursacht gleichzeitig einen erheblichen Spannungsabfall bei starker Belastung (Abbildung 2), so dass die Spannung für die betriebene Applikation möglicherweise zu niedrig ist.

Abbildung 2: Dynamik des Spannungsabfalls, die Primärbatterien schadet (Quelle: Nexperia)

Intelligenter Batterie-Booster-IC hält die Spannung konstant

Die neuen Batteriemanagement-ICs NBM7100A/B und NBM5100A/B von Nexperia können die Lebensdauer einer typischen Lithium-Knopfzelle um das 10-fache verlängern und gleichzeitig den für eine Puls-Last verfügbaren Ausgangsstrom um das 25-fache erhöhen. Diese ICs beinhalten zwei hocheffiziente DC/DC-Wandlerstufen und einen intelligenten Lernalgorithmus. Die erste Wandlungsstufe überträgt die Energie aus der Batterie mit einer niedrigen Wandlungsrate auf ein kapazitives Speicherelement. Die zweite Stufe nutzt die gespeicherte Energie, um einen geregelten (von 1,8 V bis 3,6 V programmierbaren) hoch gepulsten Ausgangsstrom (bis zu 200 mA) bereitzustellen. Der intelligente Lernalgorithmus überwacht die während der sich wiederholenden Last-Impuls-Zyklen verbrauchte Energie und optimiert die DC-DC-Wandlung der ersten Stufe, um die elektrische Ladung im Speicher-Kondensator zu minimieren. Wenn kein Energieumwandlungszyklus durchgeführt wird (Standby-Zustand), verbrauchen diese Bauteile weniger als 50 nA.

Abbildung 3: Der Spannungsverlauf über der Puls-Rate (Quelle: Nexperia)

Der Überspannungsschutz verhindert das Aufladen der Kondensatoren, wenn die Spannung der Batterien gegen Ende ihrer Lebensdauer niedrig ist und die chemische Erholzeit der Batterie länger ist. Bei Erreichen des Lebensendes der Batterie wird das System durch eine Anzeige für eine schwache Batterie alarmiert. Für die Konfiguration und Steuerung durch einen Mikrocontroller des Systems ist eine serielle Schnittstelle vorhanden: I²C in den Versionen „A“ und SPI in den Versionen „B“. Neben der Strombelastung wirken sich auch Temperaturextreme negativ auf das Betriebsverhalten und die Lebensdauer der Batterien aus. Die NBM-ICs arbeiten in einem großen Betriebstemperaturbereich (-40 °C bis 85 °C) und eignen sich daher gleichermaßen für Industrieapplikationen im Innen- wie auch im Außenbereich, wo die Umgebungsbedingungen unvorhersehbar sind. Mit ihrem neuartigen zweistufigen Energiemanagement, dem intelligenten Lernalgorithmus und dem niedrigen Standby-Strom tragen NBM5100A/ und NBM7100A/B dazu bei, die Lebensdauer der Batterien in Wireless-IoT-Applikationen zu verlängern und gleichzeitig die mit dem Batteriewechsel verbundenen Wartungskosten zu senken.

Vorteile für die Umwelt

Durch die verlängerte Betriebsdauer wird auch die Menge des Batteriemülls in stromsparenden Internet of Things (IoT)- und anderen tragbaren Applikationen (wie beispielsweise Schlüsselanhängern) erheblich reduziert. Gleichzeitig werden kleine Knopfzellen zu einer brauchbaren Energiequelle für Applikationen, die bisher nur mit AA- oder AAA-Batterien betrieben werden konnten.