Zašto je svijet baterija zreo za velike promjene?

Tehnologije iskorištavanja energije sazrijevaju i mogu ponuditi održiviji pristup implementaciji mreža za internet stvari. Kako se aplikacije povezane s internetom stvari sve više koriste, raste i potražnja za rubnim uređajima koji komuniciraju bežičnim putem i rade na baterije

Piše: Bob Hamlin, RFID Journal

E-mail: editorial@www.asadria.com

I dok nam tehnološki napredak omogućava da kontinuirano smanjujemo broj korištenih uređaja i daje nam pristup mobilnim uređajima kakav ranije nismo mogli ni zamisliti, sve se češće govori o tome da tehnologija korištenja baterija zaostaje za ovim trendovima. Za njih, ipak, ne važi Mooreov zakon, tako da je dosadašnji napredak u poređenju s drugim segmentima nešto sporiji – veličine i kapaciteti baterija nisu mnogo bolji nego što su bili prije deset ili više godina. Ipak, umjesto nostalgije za baterijom veličine žetona koja će vam napajati telefon sedam ili više dana, baterije možemo posmatrati i na drugi način, tj. u kontekstu njihove potpune eliminacije iz upotrebe.

Rad bez baterija

Brojni uređaji koji se koriste za internet stvari i komuniciraju preko Wi-Fi mreže, Bluetootha, Bluetootha LE ili nekog od novih energetski nezahtjevnih mrežnih protokola koji pokrivaju široke zone – moraju se koristiti u okruženjima u kojima zamjena baterija nije moguća. Standardni projektantski cilj je da rubni uređaj radi na terenu deset godina bez zamjene baterije. No, ako se procjena dužine životnog ciklusa proizvoda temelji prosto na potrošnji energije izračunate prema kapacitetu baterije, lahko možemo zamisliti kako neprihvatljivo veliki broj baterija na terenu otkazuje. Baterije su hemijski uređaji i zaštita njihove pouzdanosti predstavlja svojevrsni izazov. Medijski izvještaji o katastrofalnim otkazivanjima litijskih baterija mogu se lahko pronaći. Iako su ovi događaji, zapravo, rijetki, oni su adekvatna ilustracija konkretnih problema povezanih s isporukom dovoljno visokog procenta baterija koje bi trajale tokom cijelog životnog ciklusa. Ovo se rijetko dešava zbog različitih faktora, poput izloženosti temperaturnim oscilacijama, neadekvatnog skladištenja, grešaka prilikom sklapanja proizvoda i prijevremenog aktiviranja. Ipak, napajanje uređaja za internet stvari pomoću tehnologija iskorištavanja energije predstavlja alternativu instalacijama koje zavise od pouzdanosti baterija. Za iskorištavanje energije potrebna su strujna kola koja iskorištavaju izvore energije koji su već dostupni. Modul na solarnu energiju je primjer iskorištavanja ovakve energije, kao i sat koji se samostalno napaja korištenjem kinetičke energije pomjeranja ruke korisnika. Za aplikacije u oblasti interneta stvari mogu se razmotriti i brojni drugi izvori energije.

Bežična energija

Vjerovatno najpoznatiji primjer iskorištavanja energije u rubnim uređajima predstavljaju RFID tagovi koji se napajaju RF energijom, koja se bežičnim putem prenosi s obližnjih čitača. Kako je udaljenost od čitača veća, energija koja je dostupna tagu smanjuje se na mikrovate. Ipak, pomoću naprednih tehnologija strujnih kola i procesa poluprovodnika potrošnja energije u kolima se zadržava na upotrebljivom nivou. Jednako važno je napomenuti da je najčešće korišteni signalni protokol za pasivne RFID tagove EPC Gen 2 od početka projektovan za rad u sklopu operacija za koje je dostupno malo energije. Funkcionisanje RFID tagova bez baterija je korisno i za druge mogućnosti iskorištavanja RF energije. Energija je dostupna u prijenosnim talasima, koji se u konačnici moduliraju u komunikacijske signale i oni se mogu iskoristiti na nepredvidive načine. Signali poput bežičnog Etherneta, radio-televizijskog prijenosa i 50/60 Hz iz AC napajanja dostupni su praktično posvuda i mogu se iskoristiti za napajanje niskonaponskih strujnih kola. No, ovo je samo početak.

Pouzdanost

Mehanički transduktori mogu pretvoriti bilo koju vrstu pokreta u električnu energiju, a mikroelektromehanička energija (MEMS) postepeno se počinje koristiti za ove aplikacije. To se radi kako bi se iskoristile prethodno nedostupne prednosti u pogledu veličine, učinkovitosti i dostupnosti. MEMS energija može se tretirati kao „pokretni segment ASIC čipova“ i predstavlja temelj iskorištavanja energije na uređajima s jednim čipom. Princip sata koji se samostalno napaja sada se može primijeniti i na jednom čipu, bez opruge koja se navija ili baterije koja se mora mijenjati. Problemi u segmentu pouzdanosti mogu se riješiti kombinovanim iskorištavanjem energije i najmodernije tehnologije energetske pohrane. Uzmimo za primjer instalaciju interneta stvari za praćenje temperature predmeta u transportu. Moduli povezani s njima mogu iskoristiti temperaturne senzore za lokalnu pohranu podataka, pri čemu će njihov status kontrolisati čitač instaliran u transportnim vozilima. U zavisnosti od aplikacije, podaci se mogu prebacivati u cloud tokom transporta ili po njegovom okončanju. No, koji je najbolji način za napajanje temperaturnih modula?

Energija pokreta

Mehanički transduktori mogu iskorištavati energiju vibracije vozila, no kako bi se zadržale manje dimenzije modula i ograničili troškovi, može se desiti da napajanje senzora i pohrana prateće energije ne budu dovoljni. Uključivanje superkondenzatora omogućava prikupljanje i pohranu vibracijske energije. Nakon što se prikupi dovoljno energije, modul se aktivira i pohranjuje očitane podatke sa senzora, nakon čega se vraća u hibernaciju. Ovakvi tipovi rješenja fokusirani su ne samo na pouzdanost baterije, koja više nije potrebna, nego na pouzdanost izvora energije, čija dostupnost ne mora nužno biti kontinuirana.

Do danas su adekvatno ispitani tek RF i izvori mehaničke energije, ali napredak u tehnologiji transduktora znači da se rubni uređaji u okviru interneta stvari mogu, između ostalog, napajati iz izvora kao što su otpadne toplote iz mašina, hemijskih procesa poput biološke degradacije, gradijenata saliniteta i internih procesa u ljudskom tijelu. Kako su instalacije interneta stvari sve zastupljenije, pitanje životnog vijeka i pouzdanosti baterija dobija na važnosti i njihovo korištenje će se temeljiti na zamjeni ili na optimizaciji pomoću iskorištavanja energije.