Durchbruch ermöglicht Batterie

Dec 17, 2023

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Ihren Kühlschrank öffnen, eine App auf Ihrem Telefon öffnen und sofort wissen, welche Artikel innerhalb weniger Tage ablaufen. Dies ist eine der Anwendungen, die eine neue Technologie ermöglichen würde, die von Ingenieuren der University of California in San Diego entwickelt wurde.

Die Technologie kombiniert einen in die Produktverpackung integrierten Chip und ein Software-Update auf Ihrem Telefon. Das Telefon ist in der Lage, Objekte anhand von Signalen zu identifizieren, die der Chip auf bestimmten Frequenzen aussendet, in diesem Fall Bluetooth oder WLAN. Im industriellen Umfeld könnte ein mit dem Software-Update ausgestattetes Smartphone als RFID-Leser genutzt werden.

Der maßgeschneiderte Chip, der etwa die Größe eines Sandkorns hat und nur wenige Cent in der Herstellung kostet, benötigt so wenig Strom, dass er vollständig mit LTE-Signalen betrieben werden kann, eine Technik namens RF Energy Harvesting.

Die Arbeit nutzt Durchbrüche in der Rückstreukommunikation, die bereits von Ihrem Smartphone erzeugte Signale nutzt und diese in einem Format zurückleitet, das Ihr Telefon verstehen kann. Tatsächlich verbraucht diese Technik 1000 % weniger Strom als der Stand der Technik, um WiFi-Signale zu erzeugen. Diese Fortschritte haben eine Kommunikation mit sehr geringem Stromverbrauch zwischen Komponenten des Internets der Dinge und Hardware wie WiFi- oder Bluetooth-Transceivern für Anwendungen wie On-Body-Sensoren ermöglicht oder Asset-Tracker.

Der maßgeschneiderte Chip, der etwa die Größe eines Sandkorns hat und nur wenige Cent in der Herstellung kostet, benötigt so wenig Strom, dass er vollständig mit LTE-Signalen betrieben werden kann, eine Technik namens RF Energy Harvesting. Der Chip wandelt Bluetooth-Übertragungen in WLAN-Signale um, die wiederum von einem Smartphone mit diesem speziellen Software-Update erkannt werden können.

Das Team wird seine Arbeit am 20. Februar 2023 auf der IEEE International Solid-State Circuits Conference in San Francisco vorstellen.

Derzeit erfordert die Rückstreumodulation nach dem neuesten Stand der Technik zwei externe Geräte: eines zum Senden und eines zum Empfangen und Lesen der Signale. In diesem Konferenzbeitrag wird der erste integrierte Rückstreuschaltkreis vorgestellt, der drahtlose Kommunikation und batterielosen Betrieb über ein einziges Mobilgerät ermöglichen kann.

„Dieser Ansatz ermöglicht eine robuste, kostengünstige und skalierbare Möglichkeit, auf RFID-ähnliche Weise Strom bereitzustellen und Kommunikation zu ermöglichen, während Smartphones als Geräte verwendet werden, die die Signale sowohl lesen als auch mit Strom versorgen“, sagte Patrick Mercier, einer der leitenden Autoren der Zeitung Autoren und Professor am Department of Electrical and Computer Engineering der University of California San Diego.

Das umfassendere Versprechen der Technologie ist die Entwicklung von Geräten, die keine Batterien benötigen, da sie stattdessen Strom aus LTE-Signalen gewinnen können. Dies würde wiederum zu Geräten führen, die deutlich kostengünstiger sind und eine längere Lebensdauer haben, bis zu mehreren Jahrzehnten, sagte Dinesh Bharadia, Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik der UC San Diego und einer der leitenden Autoren des Papiers.

„Elektroschrott, insbesondere Batterien, ist nach dem Klimawandel eines der größten Probleme, mit denen der Planet konfrontiert ist“, sagte Bharadia.

Den Forschern gelang dieser Durchbruch, indem sie Strom aus LTE-Smartphone-Signalen sammelten und diesen Strom auf einem Energiespeicherkondensator pufferten. Dadurch wird wiederum ein Empfänger aktiviert, der Bluetooth-Signale erkennt und diese dann in reflektierte WLAN-Signale umwandelt.

Das Software-Update ist einfach eine Bitsequenz, die das Bluetooth-Signal in etwas umwandelt, das einfacher in ein WiFi-Signal umgewandelt werden kann.

Darüber hinaus erfordern die meisten drahtlosen Kommunikationen mit geringerem Stromverbrauch benutzerdefinierte Protokolle, aber das von den Forschern entwickelte Gerät basiert auf gängigen Kommunikationsprotokollen: Bluetooth, WLAN und LTE. Denn Smartphones sind sowohl mit einem Bluetooth-Sender als auch mit einem WLAN-Empfänger ausgestattet.

Das Gerät hat eine Reichweite von einem Meter – etwa einem Yard. Das Hinzufügen einer Batterie würde die Reichweite des Tags auf mehrere zehn Meter erhöhen, aber auch die Kosten erhöhen. Die Herstellung des einen halben Quadratzoll großen Geräts kostet nur wenige Cent.

Zu den nächsten Schritten gehört die Integration der Technologie in andere Forschungsprojekte, um ihre Leistungsfähigkeit zu demonstrieren.

Das Team hofft außerdem, das Gerät entweder über ein Startup oder einen Industriepartner kommerzialisieren zu können.

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation im Rahmen des Grant 1923902 und dem UC San Diego Center for Wearable Sensors unterstützt.

Ein LTE-erntender BLE-zu-WiFi-Backscattering-Chip für die RFID-ähnliche Abfrage einzelner Geräte

Shih-Jai Kuo*, Manideep Dunna*, Hongyu Lu, Akshit Agarwal, Dinesh Bharadia, Patrick Mercier, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, University of California San Diego

*Co-Hauptautoren

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