エナジーハーベスティングが1兆個の電池不要IoTセンサーを実現

ワイヤレスIoTセンシングデバイスは、人、設備、インフラ、環境の上、中、近くに配置できます。これにより、気候変動対策、クリーンエネルギー確保、安全な食料供給、何より高齢化社会における人々の健康とウェルビーイングのケアといった、21世紀の最も緊急な課題に取り組む新たなツールが得られます。しかし、これを実現するには「IoTへの電力供給」というギャップを解決する必要があります。つまり、ソリューションは、それらが電力を供給するIoTデバイスより長寿命の電池で動作する必要があります。

この記事では、IoT向けエナジーハーベスティング（EH）駆動ソリューションが提供できる重要な貢献を探ります。今後数年間で展開される可能性のある1兆個のセンサーのうち、大半は超低消費電力（ULP）ワイヤレスタイプになるでしょう。これらはEHに最適な候補でもあり、EHは外部電力を補完するか、独立した電源として機能します。

コスト：総所有コストでの評価が鍵

EHの主要な付加価値は、動作環境の環境エネルギーを取り込み、消費地点でシステムエネルギーを提供・補完することです。EH実装の正当性と成功、特に総所有コストの観点では、ペイバック計算手法に大きく依存します。例えば、EH機能のためにシステムBOMに3〜5ドル追加することは、ボリュームディスカウントで約0.25ドルの使い捨てコインセルと比較すると狂気のように見えるかもしれません。環境・サステナビリティ要因を無視しても、財務分析では考慮すべき点が多々あります。その電池が交換必要になった場合、労働/アクセス・ロジスティクスコストだけでコインセルの節約額を桁違いに上回る可能性があります。ましてやその電池がコンクリート壁内部、高天井、人体内部、深い油井など、過酷かつ/またはアクセス困難な環境にある場合はなおさらです。

環境エネルギー：熱、振動、光を活用

EHは、利用可能な環境エネルギー（熱、振動、光）を電源として利用します。1マイクロワットから数百マイクロワットの「スイートスポット」があり、そこでは既存電源へのドレイン大幅削減と、適度なサイズのハーベスターからの環境エネルギー利用可能性向上という「ダブルインパクト」が得られます。これにより電池寿命を大幅に延長でき、場合によっては完全な電力自立に至ります（これは最近のEU出版物で議論され、図1で示されていますi）。

EHをシステム設計に統合する上での主要課題は、断続的な性質を持つエネルギー源への対処です。エネルギーを取り込み、後で使用可能にするためのエネルギー貯蔵と電力管理デバイス/回路が必要です。環境スカベンジングからの電力抽出に対処するための独自のエンジニアリング努力が必要なだけでなく、それらのニーズの多くはEH手法ごとに異なります。つまり、EHトランスデューサーからの生エネルギー取得と電力変換/管理/制御のニーズは、光起電力（PV）、熱電発電（TEG）、振動ハーベスティングでそれぞれ異なります。異種PVセルへの給電でさえ、技術によって大きく異なります。一般的なアプローチは、DC（PV、TEG）かAC（振動、摩擦帯電、RF）かという生ハーベストエネルギーの性質によって決まります。

PVセルは太陽光や人工光源から直接光エネルギーを変換します。一方TEGは温度差から電気エネルギーを抽出します。振動（電気力学的または圧電）と摩擦帯電源は物理的動きから派生します。RF取得は通常、整流アンテナ（レクテナ）とバランシングネットワークを用い、その後一般的にDC/DC変換ブロックに供給されます。

最適なEH対応システムソリューションには、最大電力点追従（MPPT）や慎重に制御されたインピーダンスマッチングが必要で、最大エネルギーポテンシャルを完全に実現します。また、多くの環境エネルギーは非常に低い電力と電圧レベルにあります。市販（COTS）電力管理IC（PMIC）の多くは、10μWおよび100mV以下のエネルギーを使用可能な電気に変換できません。この解決に向けた研究コミュニティ主導の取り組みの一例が、ティンダル国立研究所（アイルランド・コーク）によって開発されているMISCHIEFプラットフォームです。MISCHIEFは、これまで利用不可能だった10μW以下の領域、特に前例のない幅広い環境エネルギーを処理できる革新的な高効率・低休止電流PMICです。モジュール式で高度に設定可能なため、新しい回路ブロックの追加やセットポイント範囲の調整が容易です。またデジタルインターフェースを持ち、他コンポーネントと相互作用して動作モード（スリープ、スタンバイ、センシング、送信、処理）を動的に調整できます。これによりアプリケーションニーズを満たしながら消費電力を最小化します。

間欠的エネルギー源ではエネルギー貯蔵が不可欠です。ピーク需要を処理するバッファを提供するため、上流電源はシステム定常状態のニーズのみを供給すればよく、最悪ケースのピーク電力要求を賄う必要がなくなります。

EHエコシステムの構築

Power IoTとEHコミュニティへの貢献者たち（開発者、材料・デバイスメーカー、インストーラー、インテグレーター、エンドユーザー）は、サイロ化された環境で作業しがちでした。しかし、EHがメインストリームアプリケーションに大きく浸透するためには、EHトランスデューサー関係者が電力管理とエネルギー貯蔵関係者と密接に連携し、さらには本記事が焦点を当てる多くのセンサーネットワーク・低消費電力タイプアプリケーションに関わる多くの他の低消費電力システムコンポーネントプロバイダーおよびエンドユーザーとも連携する必要があります。

参考文献：

i. https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf 

ii. https://www.enerharv.com/ 

iii. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting 

iv. M. Hayes and B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting," in IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, Sept. 2021