Energiequellen und Energy Harvesting für UHF-RFID-Tags

30. Juli 2025 Von admin 0

RFID-Tags arbeiten überwiegend ohne Batterie – doch wie können sie Daten senden, wenn sie keine eigene Energiequelle haben? Und wann macht der Einsatz von Batterien Sinn? Dieser Artikel beleuchtet die unterschiedlichen Energiequellen von UHF-Tags, erklärt das Prinzip des Energy Harvesting und zeigt, welche Möglichkeiten Batterien und Hybridlösungen bieten.

Passive Tags: Energie aus dem Lesefeld

Die Mehrheit aller UHF-RFID-Tags sind passiv. Sie besitzen keine interne Stromquelle, sondern nutzen das elektromagnetische Feld des Lesegeräts, um die benötigte Energie zu gewinnen. Die Antenne des Tags wirkt wie eine Spule, die das Feld des Readers aufnimmt. Diese Energie reicht aus, um den Mikrochip zu aktivieren und die gespeicherten Daten per Backscatter zurückzusenden. Passivtags sind sehr kostengünstig (meist wenige Cent) und haben eine Lebensdauer von 10 Jahren und mehr. Der Nachteil: Die Reichweite ist begrenzt (etwa bis 9–12 m), und tags können nur senden, wenn sich ein Reader in unmittelbarer Nähe befindet.

Active Tags: Batterie an Bord

Aktive RFID-Tags verfügen über eine eigene Batterie, um ihre Antenne mit Energie zu versorgen und das Signal aktiv zu senden. Sie arbeiten völlig unabhängig vom Lesefeld und bieten Lesereichweiten von 100–300 ft (ca. 30–90 m). Aktive Tags werden vor allem in der Frachtverfolgung, im Flottenmanagement oder an Zufahrtskontrollen eingesetzt. Ihre Vorteile sind die hohe Reichweite und die Möglichkeit, Sensoren dauerhaft zu betreiben. Allerdings sind aktive Tags deutlich teurer (oft mehrere Euro pro Stück) und müssen nach einigen Jahren gewartet oder ersetzt werden, wenn die Batterie leer ist. Zudem sind sie größer und schwerer als passive Tags.

BAP-Tags: Battery Assisted Passive

Ein Battery Assisted Passive (BAP)-Tag ist ein Hybrid aus passivem und aktivem Tag. Er besitzt eine kleine Batterie, die den Chip und eventuell einen Sensor versorgt. Die Kommunikation mit dem Reader erfolgt jedoch weiterhin passiv (Backscatter). Dadurch haben BAP-Tags eine höhere Lesereichweite als reine passive Tags (10–20 m) und können auch dann Daten übertragen, wenn das Reader-Signal schwächer ist. Laut GS1 werden BAP- und aktive Tags vor allem für die Verfolgung hochpreisiger Güter oder in rauen Umgebungen genutzt.

Energy Harvesting: Energie aus der Umgebung

Energy Harvesting beschreibt Verfahren, bei denen kleine Mengen elektrischer Energie aus der Umgebung gewonnen werden – zum Beispiel aus Licht, Wärme, Vibrationen oder Radiowellen. RFID-Tags nutzen bereits das RF-Harvesting: Sie ernten Energie aus dem Lesefeld. Forschungsprojekte und neuere Produkte gehen einen Schritt weiter und kombinieren passive RFID mit zusätzlichen Harvestern. Beispiele:

Solarzellen: Dünne, flexible Solarfolien auf dem Tag generieren Energie aus Umgebungslicht. Damit können Sensoren kontinuierlich betrieben werden, ohne die Lebensdauer einer Batterie zu belasten.
Thermoelektrische Generatoren: Sie erzeugen Strom aus Temperaturdifferenzen. In Industrieanlagen könnten sie sich die Abwärme zunutze machen.
Piezoelektrische Elemente: Durch Vibrationen oder Druckbelastung wird elektrische Energie erzeugt. Geeignet für bewegte Maschinen oder Fahrwerke.
RF-to-DC-Wandler: Ein erweiterter Gleichrichter im Tag kann nicht nur Energie aus dem Reader-Signal, sondern auch aus anderen Umgebungsquellen (z. B. WLAN, Mobilfunk) gewinnen. Die geerntete Energie wird im Kondensator gespeichert und bei Bedarf genutzt.

Anwendungsbeispiele

Logistik & Fracht: Aktive oder BAP-Tags an Containern ermöglichen die Positionsbestimmung über größere Distanzen. Batterien versorgen zudem GPS- oder Temperatursensoren.
Asset-Tracking im Krankenhaus: Medizinische Geräte mit aktiven Tags lassen sich schnell lokalisieren; BAP-Tags mit Sensoren überwachen den Batteriestatus von Defibrillatoren oder Spritzenpumpen.
Schock-Logger: BAP-Tags mit Beschleunigungssensoren zeichnen Stöße während des Transports auf und werden von Energy-Harvesting-Modulen unterstützt, um längere Messperioden zu ermöglichen.
Intelligente Etiketten: Gedruckte UHF-Tags mit Solarharvesting versorgen integrierte Displays oder E-Ink-Anzeigen. So können z. B. Preisschilder in Supermärkten automatisch aktualisiert werden.

Auswahlkriterien

Um zu entscheiden, ob passive, BAP- oder aktive Tags eingesetzt werden sollten, sind folgende Fragen zentral:

Reichweite: Welche Distanz muss überwunden werden? Für kurze Distanzen bis 10 m genügt ein passiver Tag. Für größere Bereiche oder funkintensive Umgebungen sind BAP oder aktive Tags sinnvoll.
Lebensdauer: Wie lange soll der Tag funktionieren? Passive Tags halten bis zu 10 Jahre. Batterien von aktiven Tags müssen je nach Nutzung nach 3–7 Jahren ausgetauscht werden.
Sensordaten: Werden kontinuierliche Messungen benötigt? Passive Sensor-Tags erfassen Daten nur beim Lesevorgang; BAP-Tags können fortlaufend messen.
Kosten: Budget und ROI spielen eine große Rolle. Passive Tags kosten wenige Cent, BAP-Tags mehrere Euro, aktive Tags noch mehr.
Umgebung: Metallische Oberflächen oder extreme Temperaturen können die Reichweite beeinflussen. Wählen Sie Tag-Typen mit entsprechenden Gehäusen und Frequenzoptimierungen.

Future Outlook

Die Zukunft der Energieversorgung für RFID-Tags liegt in der Kombination passiver UHF-Technologie mit intelligenten Energy-Harvesting-Modulen. Autarke Sensor-Tags, die ihre Energie vollständig aus Licht oder Vibration beziehen, könnten in Supply Chains, Smart Cities und Industrie 4.0 flächendeckend zum Einsatz kommen. Gleichzeitig werden mikroelektronische Komponenten effizienter, wodurch Batterien kleiner und langlebiger werden. Forschende arbeiten außerdem an neuen Energiespeichern wie Superkondensatoren und mikrochemischen Batterien, die speziell für IoT-Geräte entwickelt werden. In einigen Jahren könnte der Unterschied zwischen aktiv, BAP und passiv verschwimmen: Tags werden je nach Bedarf modulare Energiemodule nutzen und sich dynamisch auf die Umwelt einstellen.