Internet der Dinge

Die möglichen Anwendungen für das „Internet of Things“ (IoT) sind schier unendlich und erstrecken sich über Bereiche wie Industrie, Umweltüberwachung, Energiemanagement, Heim- und Gebäude-Automation, medizinische Geräte und Systeme und viele weitere Märkte, einschließlich einer zunehmenden Vielfalt an mobilen Verbrauchergeräten und tragbaren Komponenten.

Ein zentraler Punkt des IoT-Paradigmas ist der Einsatz unabhängiger und drahtlos verknüpfter sensorbasierter Geräte und Systeme, die Daten erheben und oftmals über ein Gateway direkt in die Cloud übertragen können. Viele IoT-Geräte werden in zahlreichen Anwendungen die Umweltbedingungen mitunter sehr abgelegener Orte beschreiben. Und wie diese potenziell sehr abgeschotteten sensorbasierten Geräte mit Energie versorgt werden, ist ein ausschlaggebender Punkt: Die Anforderungen des Systems schreiben Energiespeichervorrichtungen vor, die entweder eine besonders lange Betriebsdauer für annehmbare Wartungsintervalle liefern, oder zusammen mit ergänzenden Energiegewinnungsmechanismen und Speichersystemen wieder aufgeladen werden müssen – gleichwohl Akkus gewisse Einschränkungen bezüglich der Anzahl an Lade- und Entladezyklen aufweisen und ebenso in bestimmten Abständen ausgetauscht werden müssen. Ein möglicher alternativer Ansatz sieht vor, wiederaufladbare Solid-State Silizium-Chip-Batterien von Cymbet zu verwenden. Die Produktreihe Enerchip liefert 3,3 bis 3,8 V am Ausgang sowie einen Betriebstemperaturbereich zwischen –20 und +70 °C, und kann ausgesprochen kostenwirksam in hochgradig integrierten und leichten Designs eingesetzt werden. Hinzu kommt der Vorteil eines minimal negativen Einflusses auf die Umwelt.

In vielen Anwendungen verbringen diese sensorbasierten Geräte zur Datenerfassung den größten Teil ihrer Betriebsdauer im Sleep- oder Standby-Modus: Bedeutende Mengen an Energie benötigen sie lediglich stoßweise und auch dann nur für sehr kurze Zeit, sodass sie insgesamt die Lebensdauer der jeweiligen Batterie deutlich verlängern können. Während Techniken zur Energiegewinnung fortlaufend verbessert werden, werden deutlich aktivere IoT-basierte Sensoren mit Sicherheit auf zuverlässigere Stromquellen als auf eine einfache Batterie zurückgreifen müssen.

Bei der Wahl der jeweiligen Stromquelle sind viele Punkte gegeneinander abzuwägen, darunter elektrische Parameter wie Ausgangsspannung, Lifetime-Leistungsanforderung, Energiedichte sowie die Kosten für Montage und Instandhaltung. Weitere wichtige Faktoren sind, dass Sensorgeräte mit hoher Wahrscheinlichkeit kompakt und leicht gebaut werden müssen, sodass die Attraktivität von Knopfzellen-Batterien auf der Hand liegt. Zum Glück wurden viele Produkte mit den Technologien, die dieses Universum an IoT-Sensorgeräten benötigt, bereits von zahlreichen führenden Batterie-Herstellern für verschiedenste Märkte entwickelt – darunter tragbare Produkte wie Armbanduhren, Kameras und Taschenrechner. Hinzu kommt, dass sie immer öfter in dem noch nicht ausgereiften und zugleich sehr schnell wachsenden Markt für tragbare Geräte eingesetzt werden. Die Lithium-basierte CR2032 Knopfzellen-Batterie ist hierfür ein klassisches Beispiel.

Ein führender Anbieter von nicht-aufladbaren Knopfzellen-Batterien ist Panasonic. Die 3V CR-Batterien von Panasonic verwenden die sehr weit verbreitete chemische Zusammensetzung auf der Grundlage von Lithium-Mangandioxid (Lithium-Anode und Mangandioxid-Kathode). So liefern sie Kapazitäten im Bereich von 35 bis zu 1000 mAh und eignen sich für Anwendungen mit zwischenzeitlich hohen Stromstärken. Die BR-Batterien von Panasonic basieren auf Lithium-Polycarbon-Monofluorid und bieten eine deutlich moderatere Energiedichte als Ihre Pendants der CR-Reihe. Sie liefern Kapazitäten im Bereich von 48 bis 225mAh, sind zudem sehr zuverlässig und können höheren Temperaturen von bis zu +80 °C standhalten.

Eine Alternative ist das Angebot an 3V Lithium-Mangandioxid Knopfzellen-Batterien von RS mit Kapazitäten zwischen 36 und 610 mAh, oder aber das Angebot an 1,55V Silberoxid Knopfzellen-Batterien von RS  mit Kapazitäten zwischen 14 und 165 mAh, einer längeren Betriebsdauer und sehr guten Leistungsdaten bei niedrigen Temperaturen.

 

Abbildung 1: 3V CR2032 Lithium-Mangandioxid Knopfzellen-Batterien von RS

Eine weitere Option ist die nicht-aufladbare 3,6V Lithium-Thionylchlorid Knopfzellen-Batterie mit Leiterplattenmontage vonTadiran Batteries. Diese chemische Zusammensetzung wird oftmals in Batterien für industrielle und medizinische Anwendungen anstatt in Batterien für Verbrauchergeräte eingesetzt, und liefert die höchste Energiedichte und die höchste Spannung aller kommerziellen Lithium-Batterien. Die Batterien der Produktreihen Tadiran SL-840 (0,42 Ah) und SL-889 (1 Ah) bieten eine sehr hohe Energiedichte, eine hohe Klemmenspannung, eine geringe Entladespannung und eine sehr lange Lagerfähigkeit. Mit ihrer möglichen Betriebsdauer von 15 bis 25 Jahren sind sie besonders gut für Anwendungen in abgelegenen Orten und unter widrigen Einsatzbedingungen geeignet. Ebenso eignen sie sich für Anwendungen mit geringen Dauerströmen und/oder moderaten Impulsströmen (bis zu 10 mA bzw. 20 mA am Beispiel der SL889 Batterie).