Energy harvesting je procesom, ktorý sa zaoberá zberom elektrickej energie z rôznych zdrojov. Tento pojem sa viaže predovšetkým k IoT produktom. V závislosti od použitého zdroja je možné definovať aj množstvo energie, ktorú je možné získať. Existujú štandardné zdroje elektrickej energie, ktoré ju vyrábajú napríklad z vetra (DC motor), zo slnečného žiarenia (solárny panel), ale taktiež aj menej typické, ktoré využívajú aj energiu prostredia v ktorom sa nachádzajú. Medzi tieto môžeme zariadiť napríklad AC zdroj typu motor, piezo platňa (vyžaduje usmerňovač), TEG (termoelektrický generátor), ktorý dokáže spotrebovať odpadové teplo z kúrenia, strojov a prevádzať ho na elektrickú energiu, ktorou je možné nabíjať batériu IoT zariadenia.

V štandardnom zapojení sa využíva energy harvesting čip. Existujú rôzne od rôznych výrobcov a líšia sa predovšetkým parametrami ako napríklad rozsah napätí, maximálny prúd a podobne. Niektoré z nich obsahujú aj integrovanú nabíjačku rôznych typov batérii pre rôzne rozsahy ich operačných napätí. Ak čip nemá integrovaný nabíjací obvod, štandardne energy harvesting čip funguje ako step-up prevodník, ktorý zvýši napätie pre nabíjací obvod, ktorý už vie batériu dobíjať, ale vyžaduje sa tak viacero súčiastok.

Ak zbierame elektrickú energiu, ktorá má nízke napätie, je pre nás dôležitý parameter tzv. cold-start voltage, ktorý definuje napätie potrebné pre spustenie energy harvesting čipu. Dnes si ukážeme jedny z najpopulárnejších energy harvesting čipov, ktoré na trhu existujú už roky. Vyrába ich Texas Instruments a majú označenie BQ, či už BQ25570, alebo BQ25504. Oba používajú rovnaký základ, i keď sa v niekoľkých parametroch líšia. V datasheete nájdete zaujímavé informácie o cold-start voltage, ktorý sa s revíziami menil. V skorších revíziách nájdete, že sa oba čipy vedia spustiť pri 330 mV, avšak v neskorších revíziách datasheetu sa uvádza 600 mV. Keď sa už čip rozbehne, dokáže zbierať elektrickú energiu od 100 mV, pričom maximálny rozsah je do 5,1V, resp. 5,5V ako absolute max. Nájdu uplatnenie predovšetkým so solárnymi panelmi, ale taktiež aj TEG generátormi. Ideme si to preto overiť prakticky...

Tieto čipy sú populárne a na Aliexpresse si dokážete kúpiť takýto energy harvesting modul, ktorý má aj svorkovnice pre pripojenie batérie a aj DC zdroja elektrickej energie pre jej zber. Predajcovia uvádzajú, že sa tieto čipy spúšťajú pri 330 mV, čo nekooperuje s datasheetom. Rozhodol som sa teda využiť dosku CJMCU-2557 z Aliexpressu, ktorá kombinuje BQ25570 a superkondenzátor 0,22F. Úlohou tohto superkondenzátora je predovšetkým udržať modul po štarte v operačnom stave, aby mohol čo najdlhšiu dobu po štarte fungovať od 100 mV, resp. aj menej, pokým superkodenzátor drží požadované napätie.

CJMCU-25504 som si nezakúpil, ale pre čip BQ25504 som sa rozhodol zakúpiť si tux board. Táto šikovná doska s ESP32-C3 a týmto energy harvesting čipom sa dá zakúpi na Tindie za 15€. Dodanie je zo Švajčiarska, dosku navrhol p. Felix, ktorý pôsobí v akademickej sfére. Doručenie bolo rýchle, do pár dní, bez doplatku (Švajčiarsko je mimo EU), balíček bol poslaný ako darček. V balíčku je okrem samotnej dosky v antistatickom obale aj krátky manuál, ktorý popisuje pinout dosky a taktiež aj vysvetlenie správania niektorých pinov, špecifických predovšetkým pre BQ25504. V doske je prednahraný MicroPython firmvér, vzadu je krátka reklama aj na autora projektu a jeho sociálne siete Youtube / Github, kde nájdete aj súbory pre výrobu dosky. Pri výrobe na vlastnú päsť však preplatíte...

Chcel som teda otestovať cold-start voltage, čo je minimálne napätie, kedy bude čip schopný dobíjať batériu a taktiež ma zaujímalo napätie, kedy bude dobíjať 1 mA prúdu. Treba tu samozrejme zarátať, že výrobou pokrývame aj spotrebu samotného energy harvesting čipu z batérie. Využil som Li-Ion batériu 2000 mAh, ktorá má nominálne napätie 3,7V a štandardný rozsah napätia v operačnom spektre 3.0V - 4,2V. Zdroj som si simuloval s regulovateľným zdrojom od Winners, ktorý umožňuje výstup v CV režime od 0V po 16V. Pomaly som po 0,04V navyšoval napätie a cez multimeter som sledoval, či sa prúd zmení na + ako indikátor nabíjania. Samotné napätie (reálne) som meral multimetrom s chybovosťou +-0,5% v danom rozsahu, ktorý bol nastavený na 2V. To znamená, že reálna hodnota napätia v tomto prípade je v rozsahu +- 10 mV oproti nameranej.

Tux board:
Táto zaujímavá doska má prepojku, na ktorú sa odporúča dospájkovať prepínač. Táto prepojka umožňuje v rozpojenom stave používať túto dosku iba na energy harvesting board, kedy ESP32 nie je vôbec napájané. Jedna z nevýhod v tomto prípade je integrovaná LED dióda, ktorá indikuje dostatočné napätie na vstupe BQ25504. Výsledky ma veľmi prekvapili. Doska začala nabíjať pri napätí 150 mV (čo je menej ako 330 mV, resp. 600 mV), pričom nabíjací prúd bol 0,06 mA.

Pri zvyšovaní napätia som dospel k 286 mV, kedy nabíjací prúd dosiahol 1 mA. Po zvyšení napätia na 2V (max rozsah multimetra) bol nabíjací prúd 18,75 mA.

CJMCU-2557:
Prišlo na rad testovanie energy harvesting modulu z Aliexpressu so superkodenzátorom. Výsledky boli horšie, ako som predpokladal, očakával som totiž veľmi podobné výsledky, nakoľko oba BQ čipy vychádzajú z rovnakej koncepcie. Modul začal nabíjať pri dosiahnutí napätia 1070 mV s prúdom 0,3 mA. Nabíjací prúd 1 mA sa dosiahol pri 1522 mV. Pri plnom napätí rozsahu multimetra 2V bol nabíjací prúd 2 mA pri režime zdroja CV.

Zhrnutie:
Hlavný problém bol superkondenzátor u CJMCU-2557. Pre jeho rozbehnutie (a tým aj rozbehnutie celej dosky) je ho nutné nabiť, teda je nutný vyšší prúd v porovnaní s BQ25504 a musí byť dodávaný po dlhší čas, minimálne po to prvé spustenie... Zdroj v režime CV (Constant Voltage) by to neumožnil v krátkom čase. Môžem tak povedať, že takýto typ energy harvesting modulu nie je vhodný pre typy zdrojov, ktoré generujú napätie, ale malý prúd. Nenájde tak využitie s veternou turbínou, ktorá iba krátkodobo vyrába el. energiu, či s TEG článkami s nízkym rozdielom teploty medzi teplou a chladnou stranou.

Tento typ modulu je vhodný napríklad k solárnemu panelu, ktorý generuje aj dostatočný prúd pre udržanie systému v behu. Môže na druhú stranu ťažiť z toho, že ak aj na krátku dobu dôjde k poklesu napätia napr. aj pod 100 mV, modul bude stále nabíjať, lebo superkondenzátor udrží jeden z dôležitých pinov v určitom napäťovom stave aj počas tejto doby, v opačnom prípade by musel BQ25570 šťartovať znovu.

V prípade konštantného prúdu by BQ25570 (CJMCU-2557) nabehol násobne skôr. Toto si ukážeme v budúcnom teste so zdrojom, ktorý umožňuje výstup aj v režime CC (Constant Current).

Tux board je výborná kombinácia energy harvesting čipu BQ25504 a ESP32-C3 mikrokontroléra, ktorý je taktiež aj low-power friendly. Kombinuje singlecore Xtensa procesor, obsahuje integrovanú WiFi/BT anténu, čo môže sťažiť použitie v určitých situáciách. Doska je malá a zmestí sa takmer kdekoľvek. Na doske je aj pin SYS od BQ25504, ktorý má HIGH / LOW state v závislosti od napätia batérie. Indikuje nabitie batérie nad, resp. pod 48.3%, kedy je rozhodujúce napätie 3,58V. Tux board má aj integrovanú LED diódu WS2812B RGB, ktorú môžete využiť ako indikátor stavov. K doske môžete pripojiť SPI / I2C, alebo UART perifériu. Prepojkou je možné pripojiť aj ESP32. V low power režime ESP32-C3 berie 10 uA, čo je zanedbateľná spotreba pre takýto typ projektu a hravo viete pokryť aj jeho odber.

Jeden tip na záver. Ak robíte energy harvesting na veternej turbínke s DC motorom, ktorý môže generovať celé spektrum operačného napätia čipu BQ25504 resp. BQ25570, ale aj nad neho, môžete vstupy zdroja ochrániť použitím zenerovej diódy. Napríklad typ 1N4733 je výborný pre udržanie 5,1V max na vstupea umožňuje výkonovú stratu až 1W, čo je pre takúto aplikáciu dostatočné.

Prístupov 1410

Kvalita článku