Embedded-Systeme mit langer Funktionsgarantie Batterielebensdauer – Erfolgsfaktor für Embedded-Produkte

Das Wechseln von Batterien ist für Verbraucher lästig und für groß angelegte industrielle IoT-Implementierungen teuer. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Lebensdauer der Batterien durch dynamische Energieverbrauchsprofile zu verlängern und anhand dieser Daten eine geeignete Batteriechemie auszuwählen und die Lebensdauer der Batterien möglichst zuverlässig zu prognostizieren.

Batterielebensdauer

Die Lebensdauer von Batterien ist zu einem wesentlichen Aspekt des modernen Lebens geworden. Vom Laden Ihres Elektrofahrzeugs oder E-Bikes bis hin zu einer Smartwatch oder einem Fitness-Tracker, der den ganzen Tag lang hält: Niemand möchte ein Gerät haben, das den ganzen Tag über immer wieder geladen werden muss. Das Gleiche gilt für industrielle und kommerzielle batteriebetriebene Bauteile wie IoT-Sensoren. Wenn Ihrem Fitness-Tracker auf halber Strecke der Saft ausgeht, ist das vielleicht ärgerlich, aber bei einem Industriesensor könnte dies zu einem Produktionsstopp und damit zu erheblichen finanziellen Kosten führen. Insgesamt steht die Lebensdauer der Batterien in direktem Zusammenhang mit dem Erfolg eines Produkts und der Marke, die es repräsentiert.

Stromsparende Designs werden für die Entwickler von Embedded-Systemen daher immer wichtiger. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass sich Entwickler mit Hardware- und Software-Techniken auskennen, die den durchschnittlichen Stromverbrauch senken. Die Verlängerung der Lebensdauer von Batterien ist auch unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit wichtig. Das ist ein Faktor, dem sich viele Unternehmen bewusst sind und der ihr ökologisches Nachhaltigkeitsprofil beeinflusst. Ein kürzlich veröffentlichter EU-Bericht macht die große Herausforderung deutlich: Bis zum Jahr 2025 werden weltweit täglich bis zu 78 Millionen Batterien entsorgt werden.

Bewusst Strom sparen

Ein Bewusstsein für geringen Stromverbrauch setzt voraus, dass die Entwickler von Embedded-Systemen ihre Applikationen ganzheitlich betrachten. Es gibt wahrscheinlich nicht diese eine einfache Lösung, um das Profil des durchschnittlichen Stromverbrauchs zu senken und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. In der Regel ist dies ein Prozess, der sich in mehreren Schritten vollzieht, in denen jeweils kleine Verbesserungen zusammenkommen. Im Folgenden greifen wir einige relevante Themen für Embedded-Entwickler auf.

• Ermittlung des Stromverbrauchs: Welche Schaltungsfunktionen verbrauchen Energie, und wie ist das relative Timing oder die Phasenlage im Verhältnis zu anderen Komponenten? Diese Fragen stehen am Anfang der Untersuchung und bilden den Kern einer Denkweise, die einen geringen Stromverbrauch zum Ziel hat. Der Host-Mikrocontroller hat einen erheblichen Einfluss auf das Stromverbrauchsprofil des Bauteils und verwaltet in der Regel die Stromversorgung der angeschlossenen Peripherie. Über welche Schlaf-Modi verfügt der Mikrocontroller, und wie können sie genutzt werden? Es kommt immer auf eine Balance zwischen den Deep Sleep-Modi und der Sensibilität der Applikationen an. Bei Unterhaltungselektronik bedeutet etwa ein schnelles Aufwachen aus dem Ruhezustand eine Verzögerung beim Antippen des Displays eines Fitness-Trackers und beim Anzeigen des Optionsmenüs oder des Displays mit der aktuellen Aktivität.

• Verwaltung des Arbeitszyklus von Applikationen: Wie häufig muss Ihre Applikation eine Messung vornehmen oder eine Aktion auslösen? Bei einem smarten Thermostat kann eine Messung der Temperatur alle dreißig Sekunden mehr als ausreichend sein. Andere, komplexere Sensoren benötigen möglicherweise einen kürzeres Betriebsintervall. Die Häufigkeit, mit der ein batteriebetriebenes Bauteil aktiv ist und somit mehr Strom verbraucht als im Ruhezustand, hat Auswirkungen auf das durchschnittliche Stromverbrauchsprofil. Auch das Abschalten von Peripheriefunktionen und Sensoren, während der Mikrocontroller Daten verarbeitet, senkt das Stromverbrauchsprofil.

• Planung von Aufgaben, um Stromspitzen zu vermeiden: Mit den aus den beiden oben genannten Punkten gewonnenen Informationen ist es möglich, die Planung von Software- und Hardware-Aufgaben so zu gestalten, dass Stromspitzen vermieden werden. Hohe Ströme können den Ladezustand der Batterien negativ beeinflussen und die Lebensdauer der Batterie verkürzen.

• Auswahl einer Energiequelle: Die Kosten für den Austausch von Batterien mit Primärzellen begrenzen deren Nutzen für die meisten Applikationen. Die meisten batteriebetriebenen Applikationen nutzen wiederaufladbare Batterien, die vor Ort aufgeladen werden. Energy-Harvesting-Techniken zum Aufladen von Batterien aus umgebenden Energiequellen wie Sonne, Wind, Vibration und HF kommen immer häufiger zum Einsatz. Für einige Applikationen, bei denen das durchschnittliche Stromverbrauchsprofil relativ niedrig ist, kann der Ersatz der Batterie durch einen Super-/Ultrakondensator eine sinnvolle Lösung sein.

• Auswahl der richtigen Batterie: Neben den oben genannten Faktoren für die Embedded-Entwicklung ist es wichtig, die Eigenschaften der Batterien zu untersuchen. Batterien gibt es in allen Formen und Größen und mit unterschiedlichen Technologien. Prüfen Sie die wichtigsten Parameter der Batterie, die im Datenblatt angegeben sind. Passt das optimale Entladungsprofil der Batterie zum Arbeitszyklus und den Verbrauchseigenschaften der Applikation? Die Abstimmung der Batterie auf die Applikation ist eine Herausforderung. Jedes Embedded-System hat ein eher dynamisches Verbrauchsprofil und keine statische Entladungskurve. Daher ist in der Regel eine fundierte Vorgehensweise erforderlich.

• Messung des Stromverbrauchs: Der vielleicht wichtigste Aspekt bei der Erstellung eines Stromverbrauchsprofils für ein Embedded-System ist die Messung des Stromverbrauchs. Digitale Multimeter sind praktische Prüf- und Messgeräte, aber sie müssen in der Regel über eine höhere Empfindlichkeit, einen größeren Dynamikbereich und eine genauere Auflösung verfügen. Der Strom eines batteriebetriebenen, drahtlos verbundenen IoT-Sensors kann beispielsweise von einem Bruchteil eines Mikroampere im Ruhezustand bis zu mehreren zehn Milliampere im Betrieb reichen, mit einem Dynamikbereich von 50:1. Diese hochdynamische Eigenschaft erfordert den Einsatz spezieller Prüfgeräte, wie etwa die Otii-Baureihe von Qoitech.

Erstellung von Stromverbrauchsprofilen

Die Baureihen Otii Arc Pro und Otii Ace Pro von Qoitech wurden speziell für die Messung des Stromverbrauchs von batteriebetriebenen Embedded-Systemen entwickelt und arbeiten mit der Software Otii Pro Power Analyzer. Der Otii Arc Pro verfügt über einen Power Profiler, eine Einheit zur Messung der Quelle, einen DC-Energie-Analysator und ein Netzteil. Die kombinierte Hardware- und Software-Lösung kann Strommessungen in Echtzeit mit einer Auflösungsgenauigkeit von 5 nA bei einer Abtastrate von 40 ksps durchführen, analysieren und aufzeichnen.

Das Netzteil des Otii Arc Pro liefert Ausgangsspannungen von 0,5 VDC bis 5 VDC und bis zu maximal 5 A, wobei während der Messung keine Spannung an die Last angelegt wird. Die Integration in das zu prüfende Embedded-System erfolgt über die UART-Schnittstelle oder die GPIO-Pins von Otii. Debug-Meldungen des Entwicklers, die vom zu prüfenden Bauteil gesendet werden, werden mit den Strommessungen in Echtzeit synchronisiert und auf dem Display des Debug-Bildschirms angezeigt (Abbildung 2). Damit können Entwickler die Analyse des Verbrauchs auf Breakpoint- und Watchpoint-Ebene genau anzeigen.

Das Otii Ace Pro bietet ähnliche Eigenschaften wie das Arc Pro, ermöglicht jedoch eine höhere maximale Ausgangsspannung von bis zu 25 VDC in 1 mV-Schritten und einen maximalen Bereich für die Messung des Stroms vom nA-Bereich bis 5 A. Die Messauflösung liegt im Bereich von 0,4 nA, und die Abtastrate ist auf bis zu 50 ksps konfigurierbar.

Abschätzung der Batterielebensdauer

In diesem Beitrag haben wir bereits darauf hingewiesen, wie wichtig es ist, die Eigenschaften der Batterie in Bezug auf die Entladung zu verstehen, und wie schwierig es gleichzeitig ist, dies bei einem dynamischen Embedded-System zu erreichen. Eine optionale Ergänzung zur Otii-Software-Lösung von Qoitech ist die Otii Battery Toolbox.

Da Embedded-Systeme immer komplexer werden und der kommerzielle und umweltbedingte Druck zur Verlängerung der Batterielebensdauer zunimmt, ist es notwendig, bei der Auswahl einer geeigneten Batterie einen wissenschaftlicheren Ansatz zu wählen. Anstatt einfach mit einer Batteriekapazität zu beginnen und diese durch den durchschnittlichen Verbrauch zu teilen, um die wahrscheinliche Lebensdauer der Batterie zu ermitteln, bieten Tools wie die Otii Battery Toolbox einen objektiveren Ansatz. Die Toolbox verfügt über drei Merkmale zur Evaluierung der Batterielebensdauer auf Basis des Entladungsprofils und bietet einen über den Standard hinausgehenden Funktionsumfang.

Wenn sich eine Batterie entlädt, verringert sich ihre Ausgangsspannung. Der genaue Betrag der Spannungsreduzierung hängt von ihrer chemischen Zusammensetzung ab und sollte anhand des Datenblatts des Lieferanten überprüft werden. Das Embedded-System arbeitet bis zu einem Punkt weiter, an dem Spannungsabfälle den Betrieb des Systems unterbrechen.

Der erste Schritt bei der Bestimmung der Batterielebensdauer mit der Otii Battery Toolbox besteht in der Analyse des Betriebsverhaltens des Bauteils in verschiedenen Bereichen der Batteriespannung, angefangen bei der höchsten bis hin zur niedrigsten Betriebsspannung, bei der das Bauteil fehlerfrei funktioniert. Je feiner die Messungen sind, desto genauer sind die Ergebnisse.

Das Otii kann die Versorgungsspannung in Schritten von z. B. 100 mV zwischen den beiden Grenzwerten der Batterien verringern. Die Wahl der Batterie ist ausschlaggebend für den gewählten Spannungsbereich, kann aber nach Abschluss der Messungen vom Typ der Batterie abweichen. Ein LiPo-Akku hat zum Beispiel eine Ausgangsspannung von 4,2 VDC, wenn er vollständig auf 3,3 VDC geladen ist; darüber hinaus sollte er nicht verwendet werden.

Im nächsten Schritt des Profilings wird das zu prüfende Bauteil vom Otii-Gerät getrennt und der erste Batterie-Kandidat angeschlossen. Die Software für die Profilerstellung schaltet für die Dauer der Prüfung zwischen den hohen und niedrigen Werten um, bis entweder die Spannung der Batterie die Begrenzungsspannung erreicht oder die Grenze der Wiederholungen erreicht ist. Das Profil der Batterie wird gespeichert und kann vom Otii verwendet werden, um die Batterie zu emulieren. Dadurch emuliert der Otii-Ausgang die profilierte Ausgangsspannung der Batterie, um weitere Prüfungen zu erleichtern. Mit diesem Ansatz ergibt sich ein realistischeres Bild vom Betriebsverhalten einer Batterie und erleichtert somit die Auswahl einer solchen.

Batterie-Profiling unter realen Bedingungen

Angesicht der zunehmenden Fokussierung auf batteriebetriebene Bauteile ist die Verlängerung der Lebensdauer von Batterien für jedes Embedded-System von entscheidender Bedeutung. In diesem kurzen Beitrag haben wir die Notwendigkeit von stromsparenden Designs gezeigt, die Probleme bei der Auswahl von Batterien anhand von Datenblatt-Parametern erläutert, und vorgestellt wie die Otii Battery Toolbox von Qoitech diese Herausforderungen löst.