Batterielebensdauer in IoT-Anwendungen berechnen

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Die meisten IoT-Geräte kommunizieren per Funk

Oft legen die Systemanforderungen die Auswahl einer geeigneten Kommunikationstechnologie fest. Für batteriebetriebene IoT-Systeme ist das in der Regel eine Funkverbindung. Im Bereich der drahtlosen Kommunikation bedeutet eine höhere Reichweite oder Datenrate für gewöhnlich auch einen höheren Stromverbrauch. Deshalb kommen hier natürlich oftmals Kommunikationstechnologien mit einem möglichst geringen Stromverbrauch zum Einsatz.

Für IoT-Sensoren gibt es verschiedene beliebte Technologien. So bietet LoRa die Möglichkeit, ein stromsparendes WAN mit einer Reichweite von mehreren Kilometern einzurichten. Bluetooth Low Energy (BLE) hingegen funktioniert nur über kurze Distanzen, verbraucht dabei aber auch wesentlich weniger Strom. Zudem muss die Entscheidung getroffen werden, ob ein On-Chip-Gerät oder ein separater Chip für die Kommunikationsbewältigung verwendet werden soll.

Die Verwaltung der Kommunikationsschnittstelle ist entscheidend, da sogar stromsparende Kommunikationstechnologien die Batterieleistung sehr schnell aufbrauchen können und die Verarbeitungsanforderungen oftmals über denen der HF-Stufe liegen. Um die Batteriekapazität speziell mit Blick auf Kommunikationstechnologien zu maximieren, fahren viele IoT-Systeme die Kommunikationsschaltkreise erst dann hoch, wenn eine bestimmte Menge an Daten für die Übermittlung bereitstehen.

Die richtigen Sensoren für eine optimale Batterielebensdauer

Auch Sensoren können einen erheblichen Einfluss auf die Batterielebensdauer eines IoT-Systems haben. So ändern Wiederstandstemperaturdetektoren und Thermistoren ihren Widerstand je nach Temperatur. Eine einfache Anwendung, bei der Genauigkeit keine Rolle spielt, könnte einen Spannungsteiler verwenden; ein hochgradig präzises System hingegen benötigt eine Stromquelle, die mehr Leistung erfordert.

Für viele Anwendungen sind die integrierten Temperatursensoren der Baureihe LM35DZ von TI von Vorteil: Diese Module verfügen über eine Genauigkeit von ±0,25 °C bei Zimmertemperatur und verbrauchen lediglich 60 µA. Für welchen Sensor Sie sich auch entscheiden: Es ist wichtig, dass er nur dann Strom verbraucht, wenn er läuft.

Batterietechnologien für IoT-Anwendungen

Ein Problem bei der Auswahl der richtigen Batterien ist die begrenzte Datenmenge, die für viele von ihnen zur Verfügung steht. Neben den physischen Abmessungen und der Ausgangsspannung ist der einzige andere angegeben Parameter in vielen Fällen die Kapazität. Die Batteriekapazität ist natürlich entscheidend, da sie die gesamte verfügbare Energie für ein IoT-Gerät darstellt.

Die Batteriequalität hat erhebliche Auswirkungen auf die Kapazität. Bei der Anschaffung eines kostengünstigeren Geräts mit einer geringen Kapazität besteht das Risiko, dass die Batterielebensdauer für die entsprechende IoT-Anwendung sinkt und ein kostspieliger Batteriewechsel schneller erforderlich ist. Zudem gibt es Batterien mit unterschiedlichen Formulieren und in unterschiedlichen Formfaktoren: auch unterschiedlichen Formulierungen können sich entscheidend auf die Batterielebensdauer auswirken.

Angesichts der kurzen Produktbeschreibungen von Batterien kann man schnell annehmen, dass Batterien ganz einfache Geräte sind und ihre Kapazität immer gleich bleibt. In der Praxis stimmt dies jedoch nicht. Wenn eine Last zum Beispiel mehr Strom fordert, kann dies die Lebensdauer erheblich reduzieren. Bei einigen Anwendungen kann sich die Kapazität gerade bei sinkenden Temperaturen erheblich verringern.

IoT-Anwendungen verbrauchen Strom stoßweise. Der Prozessor und der Sensor können für kurze Impulse mehrere Milliampere aufnehmen und dann für einen längeren Zeitraum in einen Energiesparmodus wechseln. Der stoßweise Stromverbrauch kann die Ausgangsspannung spürbar abfallen lassen. So kann eine mit 2 mA betriebene Last dazu führen, dass die Spannung einer CR2032-Zelle von 3 V auf ca. 2,2 V sinkt.

Die Haltbarkeit von Batterien wird von Entwicklern oftmals deshalb ignoriert, weil sie davon ausgehen, dass nur die Lagerung der Batterie entscheidend sei, nicht aber ihre Nutzung. IoT-Anwendungen müssen jedoch oft über einen Zeitraum von mehreren Jahren mit einer einzigen Batterie auskommen, weshalb ihre Lebensdauer so wichtig ist. Die meisten Batterien verfügen über eine Lebensdauer von lediglich sieben oder acht Jahren.

Bauelemente und gutes Design entscheiden

Die Entwicklung eines IoT-Gerätes, das mit einer Batterie betrieben werden kann, erfordert große Sorgfalt. Obwohl die Wahl der richtigen Bauelemente wichtig ist, können die falschen Entscheidungen die Vorteile eines stromsparenden Prozessors negativ beeinflussen. Für eine ausreichende Batterielebensdauer ist es wichtig, sicherzustellen, dass sich der Prozessor wann immer möglich in einem energiesparenden Standby-Modus befindet und die drahtlose Kommunikation weitestgehend minimiert wird. Eine schnelle, näherungsweise Berechnung der Batteriestandzeit eines IoT-Projekts ermöglicht der Power Caculator von Farnell element 14.

* Cliff Ortmeyer ist Global Head of Solutions Development von Premier Farnell

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