Das IoT wächst kontinuierlich, aber mit ihm wächst ein oft übersehenes Problem: Millionen von Batterien, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Die Europäische Innovationsrat hat das durchgerechnet und kommt zu einem beunruhigenden Ergebnis – bis 2040 werden täglich 80 Millionen Batteriewechsel erforderlich sein, wenn wir weiterhin auf konventionelle Batterien setzen. Das ist nicht nur wirtschaftlich ineffizient, sondern auch ökologisch problematisch.

Energy Harvesting bietet hier einen anderen Weg. Die Idee ist elegant: Überall um uns herum existiert Energie – in Licht, in Vibrationen, in Temperaturgradienten. Diese Energie zu nutzen, um IoT-Geräte dauerhaft mit Strom zu versorgen, ist technisch machbar. Das Problem war bislang: Photovoltaik-Systeme funktionieren hervorragend in stabilen Umgebungen, aber nicht in dynamischen Situationen, in denen sich die Lichtsituation ständig ändert.

Die AEM15820 von e-peas adressiert genau dieses Problem. Sie ist die erste Single-Chip PMIC, die sowohl Indoor- als auch Outdoor-Photovoltaik-Anwendungen in einem integrierten System beherrscht.

Das technische Kernproblem: Indoor versus Outdoor Power Management

Wer sich mit Energy Harvesting beschäftigt, merkt schnell: Indoor und Outdoor sind zwei völlig unterschiedliche Welten. Im Innenbereich herrscht eine stabile, aber schwache Beleuchtung von etwa 200 Lux. Das ist zwar konstant, aber energetisch schwach. Im Außenbereich kann die Beleuchtung zwischen nahezu null und über 100.000 Lux variieren – je nach Tageszeit und Wetter.

Diese beiden Extreme erfordern komplett unterschiedliche Power-Management-Strategien. Ein Innen-System braucht einen niederimpedanten Boost-Konverter, der auch bei minimalem Eingangsstrom noch zuverlässig funktioniert. Ein Außen-System braucht einen hochimpedanten Konverter, der mit starken Lichtschwankungen umgehen kann. Gleichzeitig muss das System das Maximum Power Point Tracking (MPPT) kontinuierlich anpassen – für Innenbeleuchtung anders als für Außenbeleuchtung.

Bisherige Lösungen zwangen Designer in ein Dilemma: Entweder man optimiert für Innen ODER für Außen. Wer beides brauchte, musste zu mehreren PMICs greifen oder akzeptieren, dass das System in einer der beiden Situationen suboptimal funktioniert.

Die AEM15820: Dual-Boost-Architektur in einem Chip

Die AEM15820 löst dieses Problem durch eine innovative Architektur, die beide Szenarien in einem Single Chip vereint. Das ist nicht einfach eine Kombination von zwei Funktionen – es ist ein durchdachtes System, das automatisch zwischen den beiden Betriebsmodi wechselt.

Der Chip startet bereits bei extrem niedriger Eingangsspannung – 275 Millivolt. Das ist entscheidend, denn selbst bei schwächster Innenbeleuchtung oder bei Dämmerung gibt es genug Energie, um den Chip zu aktivieren. Sobald er läuft, beginnt er sofort mit der Energieernte.

Intern verfügt die AEM15820 über zwei spezialisierte Boost-Konverter. Der Low-Power-Konverter optimiert sich für schwache Lichtsituationen drinnen. Der High-Power-Konverter aktiviert sich, wenn stärkeres Licht verfügbar ist. Dieser Wechsel läuft transparent ab – ohne dass externe Logik eingreifen muss.

Das MPPT-System passt sich kontinuierlich an die Lichtsituation an. Im Gegensatz zu statischen Systemen erkennt die AEM15820, wann sich die Lichteigenschaften ändern, und passt ihre Nachverfolgung entsprechend an. Das bedeutet, dass das System in jeder Lichtsituation den optimalen Energiepunkt findet.

Zusätzlich bietet die AEM15820 Flexibilität beim Energiespeicher. Das System funktioniert mit konventionellen Batterien, unterstützt aber auch Lithium-Ionen-Kondensatoren (LiCs), die in vielen modernen IoT-Anwendungen bevorzugt werden.

Warum das für die Produktentwicklung entscheidend ist

Bei der Entwicklung von batterielos betriebenen IoT-Systemen ist Effizienz nicht nur ein netter Zusatz – sie ist existentiell. Ein Energy-Harvesting-System, das drinnen 50 Prozent Wirkungsgrad erreicht, aber draußen nur 20 Prozent, ist praktisch unbrauchbar. Mit früheren Lösungen war man gezwungen, komplexe Schaltlogik einzubauen, um zwischen verschiedenen PMICs umzuschalten. Das erhöhte nicht nur die Komplexität, sondern auch die Fehleranfälligkeit.

Die AEM15820 nimmt diesem System diese Komplikation ab. Der automatische Betriebsmodus-Wechsel erfolgt ohne externe Steuerung. Das hat konkrete Konsequenzen für den Produktentwicklungsprozess. Die Stückliste wird kleiner – statt mehrerer PMICs braucht man nur noch einen. Die Schaltung wird einfacher, weil die Umschaltlogik entfällt. Die Entwicklungszeit sinkt, weil man nicht zwei unterschiedliche Designs entwickeln muss. Und das Risiko von Systemausfällen sinkt, weil es weniger Umschaltpunkte gibt, an denen Fehler entstehen können.

Für Unternehmen, die IoT-Systeme in heterogenen Umgebungen betreiben, bedeutet das auch wirtschaftliche Effizienz. Man kann ein standardisiertes Design verwenden, unabhängig davon, ob die Sensoren später drinnen oder draußen installiert werden.

Praktische Anwendungen in der Realität

Die theoretischen Vorteile werden in konkreten Anwendungen deutlich. In Smart-Building-Systemen müssen Sensoren überall funktionieren – an sonnigen Fenstern und in dunklen Fluren mit nur künstlichem Licht. Mit der AEM15820 kann ein Sensor-Design für alle Orte eingesetzt werden.

In der Logistik und beim Asset-Tracking ist die Situation ähnlich. Container und Paletten mit GPS-Trackern fahren rein und raus aus Lagerhallen. Sie brauchen zuverlässiges Energy Harvesting in allen Lichtsituationen. Ein Track-and-Trace-System mit der AEM15820 funktioniert konsistent, egal wo sich die Assets gerade befinden.

Beim Internet der Dinge generell – ob Feuchte- und Temperatursensoren in Wänden, Drucksensoren in Rohren oder Vibrationssensoren an Maschinen – überall dort, wo ein Sensor zeitweise in schwachem und zeitweise in starkem Licht arbeitet, macht die AEM15820 einen Unterschied.

Auch im Consumer-Bereich gibt es Anwendungen. Kabellose Tastaturen und Fernbedienungen funktionieren hauptsächlich drinnen, aber müssen auch mit gelegentlichem Sonnenlicht umgehen können. Solar-Wearables müssen sowohl bei Indoor-Training als auch beim Joggen draußen zuverlässig arbeiten. Mit der AEM15820 wird ein Design für beide Szenarien möglich.

Das größere Bild: Nachhaltigkeit durch Technik

Energy Harvesting ist nicht neu. Die Technologie existiert seit Jahren. Was neu ist, sind Single-Chip-Lösungen, die vollständige Indoor-Outdoor-Szenarien ohne Kompromisse abdecken. Das hat langfristige Konsequenzen.

Wenn weniger Batterien im Feld sind, sinkt nicht nur der Batterie-Ersatzbedarf. Es sinkt auch der Wartungsaufwand. Sensoren in schwer erreichbaren Installationen – etwa auf hohen Masten oder in abgelegenen Anlagen – müssen nicht mehr regelmäßig besucht werden, um Batterien zu wechseln. Das spart Zeit, senkt Betriebskosten und reduziert Sicherheitsrisiken bei der Wartung.

Ökologisch macht es ebenfalls einen Unterschied. Jede Batterie, die nicht in den Kreislauf geht, ist weniger Elektronikschrott. Bei den prognostizierten Mengen – 80 Millionen tägliche Batteriewechsel bis 2040 – ist das kein marginales Problem. Das ist ein Umweltfaktor.

Die Integration: Praktisch für Entwickler

Für Entwickler, die diese Technologie einsetzen möchten, ist das gute Nachricht: Die AEM15820 ist keine Black Box, die man blind vertrauen muss. e-peas hat das System bewusst für praktische Integration konzipiert. Die Kaltstartspannung von 275 Millivolt ist niedrig genug für schwache Lichtsituationen, aber hoch genug, dass man den Chip wirtschaftlich in Standard-Photovoltaik-Modulen einsetzen kann.

Die Integration von Standard-Batterien und LiCs gibt Flexibilität. Je nachdem, wie die restliche Systemarchitektur aussieht, kann man die passende Speicherlösung wählen.

Wer diesen Ansatz in seinen Systemen nutzen möchte, findet in e-peas einen Partner, der nicht nur das Chip-Design liefert, sondern auch bei der praktischen Umsetzung unterstützt.

Fazit: Batterielos ist realistisch geworden

Die AEM15820 ist ein Beispiel dafür, wie spezialisierte Halbleiter-Technologie echte Probleme lösen. Es geht nicht um Marketing oder theoretische Konzepte. Es geht darum, dass IoT-Systeme jetzt batterielos betrieben werden können, ohne in den Design-Kompromissen zu leiden, die früher unvermeidbar waren.

Quellen & Weiterführende Informationen

Dieser Artikel basiert auf offiziellen Informationen von e-peas und ihren veröffentlichten Produktmaterialien:

• Offizielle Produktseite AEM15820: https://e-peas.com/product/aem15820/
• Technische Webinare und Dokumentationen: https://e-peas.com/newsroom/
• Anwendungsbeispiele und Case Studies: https://e-peas.com/applications/