能量收集技術，能否解決物聯(lián)網(wǎng)設備“缺電”問題？

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和機器對機器（M2M）設備在我們日常生活中的應用越來越廣泛。通過在各種日常物品中安裝的傳感器，我們可以收集和分析各種類型的數(shù)據(jù)，還可以遠程控制設備或在沒有人為干預的情況下操控它們。這些智能設備在極大地改善人們的工作和生活質量的同時，也帶動著整個物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)的發(fā)展。

全球著名分析機構Markets and Markets的研究數(shù)據(jù)表明，2021年，全球物聯(lián)網(wǎng)市場的收入規(guī)模高達3,003億美元，接下來還將以16.7%的復合年增長率（CAGR）快速增長，預計到2026年將攀升至6,505億美元。

推動物聯(lián)網(wǎng)市場發(fā)展的因素有多方面，包括使用成本的不斷降低，低功耗傳感技術、高速連接技術和邊緣計算等創(chuàng)新技術的持續(xù)應用等。全球大量的智慧城市計劃得以實施，也為物聯(lián)網(wǎng)市場提供了有利可圖的發(fā)展機會。為此，F(xiàn)ortune Business Insight給出了更加令人歡欣鼓舞的預測，他們認為，預計到2030年全球物聯(lián)網(wǎng)市場將從2023年的6,622.1億美元增長到33,529.7億美元，復合年增長率更是達到了26.1%。

基礎組件

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)設備中的重要組件，它們可以測量周圍的一切，包括方位、運動、光線、聲音、濕度和溫度，甚至血壓和心率等生物特征。作為物聯(lián)網(wǎng)基礎的傳感器和智能模塊，必須有合適的電力供應才能發(fā)揮通信和數(shù)據(jù)收集的作用。然而，因工作場景的限制，這些體積小、重量輕的物聯(lián)網(wǎng)設備常常被安裝在常人難以訪問的地方。目前為傳感器節(jié)點供電的方案主要依賴于電池技術。因電池需要定期更換，隨著時間的推移，不僅更換成本高昂且對環(huán)境不利。在目前的狀態(tài)下，解決傳感器持續(xù)供電問題成為推動物聯(lián)網(wǎng)普及的重大挑戰(zhàn)。

能量收集：解決IoT設備缺電問題

最近幾年，能量收集技術引起了行業(yè)的廣泛關注。有了它，電子設備可以在沒有傳統(tǒng)電源的情況下保持正常運行，消除了對電線或更換電池的需要。

能量收集原理

從原理上講，能量收集是一種從各種非常規(guī)來源收集少量能量的技術，這些非常規(guī)來源包括設備周圍的光、熱、振動和無線電波，有時它也被稱為環(huán)境發(fā)電。與產(chǎn)生巨大能量的大型太陽能和風能裝置不同，能量采集器只從其周圍環(huán)境中收集微小的能量，這些電能僅供可穿戴電子設備和無線傳感器網(wǎng)絡等小型電子設備使用。該技術不僅消除了將昂貴的電力電纜連接到偏遠地區(qū)的需要，也解決了頻繁更換電池的這一行業(yè)難題。

能量收集設備

對于物聯(lián)網(wǎng)設備而言，有了能量收集技術的加持，電源線、需要更換的電池或可充電的電池這些場景很可能都會消失，那些智能設備將成為真正的無線設備。這一點對于安裝在人員難以到達的地方的設備尤其有用，它們可以無需額外的維護而保持長期運行。現(xiàn)在，已經(jīng)有許多物聯(lián)網(wǎng)和M2M設備開始使用能量收集方案，預計未來使用量還會大幅增加。

四種常用的IoT能量收集技術

配備了能量收集技術的物聯(lián)網(wǎng)設備可以采集不同形式的來自外部來源的能量，這些環(huán)境能源最常見的有太陽能、熱能、流量和射頻無線電等。

01 光能采集

太陽為人類帶來了取之不盡的能量，即使在陽光有限的氣候下，太陽能也是一種不錯的能源選擇。因此，光能采集成為廣為人知的一種能量收集方式?，F(xiàn)實中，從計算器到時鐘，許多設備都是由自己的光能采集器供電的。由于光源往往是間歇性的，太陽能電池需要與超級電容器結合使用，以保證提供穩(wěn)定的能源。不過，這里所說的光能采集并不是可并網(wǎng)發(fā)電的那種大型太陽能技術。

Texas Instruments（TI）的BQ25504是該公司智能集成能量采集Nano-Power管理解決方案中的第一款產(chǎn)品，該器件專門設計用于有效獲取和管理太陽能或熱電發(fā)電機（TEG）等各種直流電源產(chǎn)生的微瓦（μW）至毫瓦（mW）功率，非常適合超低功率應用，如具有嚴格功率和操作要求的無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）。

BQ25504的設計始于DC-DC升壓轉換器/充電器，該轉換器/充電器僅需要微瓦的功率即可開始工作。一旦啟動，升壓轉換器/充電器就可以有效地從低電壓輸出采集器（如熱電發(fā)電機或單電池或雙電池太陽能電池板）中提取電能。BQ25570還集成了一個電源管理系統(tǒng)（PMIC），通過使用雙電路來提高電壓，同時防止電池過度充電或爆炸。收集的能量可以儲存在可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容器或傳統(tǒng)電容器中。

圖1：BQ25504光能采集應用電路（圖源：Texas Instruments）

02 熱能采集

熱能采集技術中的熱電采集器利用的是塞貝克（Seebeck）效應。在塞貝克效應中，當兩點之間存在溫度差時，導電材料上會產(chǎn)生電流。比如，合理利用機器或化工廠的熱量，就可以將其轉化為電能，為工廠的監(jiān)測傳感器供電。由體溫提供動力的手表以及為高溫環(huán)境（如工業(yè)供暖系統(tǒng)）中的無線傳感器節(jié)點供電也是一些可能的應用。

熱能采集方案中的熱電發(fā)電機（TEG）由熱電偶陣列組成，串聯(lián)在一起的熱電偶可連接到一個公共熱源，如發(fā)動機、熱水器，甚至太陽能電池板的背面。能夠輸出多少電能取決于TEG的大小和可以保持的溫差。Micropelt的TE-CORE7熱能收集模塊可轉換本地可用的廢熱，為低功率設備提供長壽命運行，其中的TEG將熱量轉化為電荷，然后將其升壓，儲存在100μF電容器中，并調節(jié)至5.5V。在50°C的溫度下運行，TE-CORE 7可提供6.424mAh的電量，相當于三到四節(jié)AA電池。

圖2：TE-CORE7熱能收集模塊（圖源：Mouser）

針對熱能采集，TI有一款實用的參考設計——TIDA-00246，這是一款熱電發(fā)生器（TEG）通用能量采集適配器模塊參考設計，旨在為能量收集提供通用解決方案，同時為熱電發(fā)電機 提供實際應用。

03 RF能量采集

我們的身邊充斥著大量的無線電波，這些電波中的微小能量也可以被收集并轉化為電能。對于射頻（RF）能量的采集，近年來人們的注意力主要集中在使用整流天線將微波轉換為直流電的發(fā)電和傳輸技術上。比如，RFID可通過對直接針對傳感器的強本地信號（而非環(huán)境RF）進行整流來工作。

Powercast公司的P2110B 915MHz RF Powerharvester接收器是一種將射頻轉換為直流電的RF能量采集設備。P2110B將RF能量轉換為DC并將其存儲在電容器中，當電容器上達到充電閾值時，P2110B將電壓升壓到設定的輸出電壓電平，并使能電壓輸出。當電容器上的電荷下降到低電壓閾值時，電壓輸出將關閉。P2110B接收器采用緊湊的SMD封裝，可以提供一個完整的、無電池的無線傳感器節(jié)點，該節(jié)點可以在低至-11.5dBm的RF輸入下工作，典型應用包括用于工業(yè)監(jiān)控、建筑自動化、智能電網(wǎng)、農業(yè)和國防應用的無電池無線傳感器。

圖3：Powercast公司的P2110B RF能量采集方案（圖源：Mouser）

04 振動能量（動能）采集

門、旋轉的輪子、流動的水，甚至人的活動都會產(chǎn)生動能。振動能量采集基于的是電磁感應或者壓電效應原理。在電磁感應中，當磁鐵或線圈相對于彼此移動時會產(chǎn)生電流。在壓電效應中，當壓力施加到壓電材料上時，材料發(fā)生極化從而產(chǎn)生電流。通過這些方式，線圈和壓電材料可以用于從日常生活中存在的振動和旋轉中產(chǎn)生電能。

若將振動能量采集器被集成到傳感器中，當汽車駛過傳感器帶時，壓電效應將產(chǎn)生一股電流為傳感器供電，接下來傳感器可將交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕掌?。壓電換能器在受力時會發(fā)電，因此，它們還可以成為檢測電機軸承噪音和機翼振動的能量收集方案。

一個完整的能量收集系統(tǒng)通常由三個部件組成：專用換能器、接口電路和接收器。換能器或能量采集單元從環(huán)境源中采集能量，并將其轉換為電能。接口電路的功能是從采集單元中提取最大量的能量，并使能量水平與特定接收器或負載兼容，這是通過不同的功率管理方法實現(xiàn)的，包括電壓調節(jié)或整流等。接收器可以包括不同的傳感器、換能器或任何其他電子電路。

STMicroelectronics的SPV1050是一款超低功率高效功率管理器，它嵌入了四個MOSFET用于升壓或降壓-升壓DC-DC轉換器，以及一個用于負載連接/斷開的額外晶體管。內部高精度MPPT算法可用于最大化從太陽能面板或TEG提取的功率。內部邏輯通過在觸發(fā)VEOC閾值時或在觸發(fā)VUVP閾值時打開傳輸晶體管以保持電池壽命來保證對充電結束電壓（VEOC）和最小電池電壓（VUVP）的嚴密監(jiān)控。

圖4：意法半導體SPV1050能量收集功率管理器（圖源：STMicroelectronics）

能量收集市場前景

能量收集允許電子設備在沒有傳統(tǒng)電源的情況下運行，從而消除了對電線或更換電池的需求。

能量收集的挑戰(zhàn)

隨著能源收集越來越受歡迎，它們必須克服的挑戰(zhàn)也在增加。首先，從能量收集中獲得的能量往往是微弱和不穩(wěn)定的，只有在非常小的功率下工作的設備才能使用能量收集技術。其次，目前的能量收集設備的成本比較高，為了助力實現(xiàn)未來的智能城市、智能家居和智能工廠，能源收集方案還應在降本增效上下功夫。需要注意的是，由于能量源通常很小，因此支撐電子器件必須具有很高的功率效率。

技術進步及市場趨勢

人口的增長增加了對能源消費的需求，環(huán)境中大量可用的看起來微小的能量被直接或間接地浪費。捕獲這種能量并將其轉換為電能可以用于自主電子設備或電路?；趥鞲衅鞯哪芰渴占到y(tǒng)和節(jié)能收集組件的技術進步推動了全球市場的增長。

來自Grand View Research的分析：2020年，全球能源收集系統(tǒng)市場規(guī)模約為4.522億美元，預計2020年至2028年將以10.2%的復合年增長率（CAGR）增長。市場的增長主要源于物聯(lián)網(wǎng)不斷增長的應用，包括智能城市、智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和機器對機器（M2M）通信等。從技術角度看，振動能量收集方案引領了2020年的市場，該細分市場占據(jù)了2020年全球市場32%的收入份額。

能量收集組件發(fā)展

根據(jù)組件，能量收集涉及到傳感器、換能器、電源管理IC（PMIC）、二次/備用電池等。傳感器是能量收集系統(tǒng)中極其關鍵的部件之一，它們負責收集環(huán)境光能、動能、溫差和壓力變化，以轉化為可用的能量。2020年，傳感器組件以超過34.5%的收入領跑市場。

據(jù)Precedence Research分析，2022年，全球能源收集系統(tǒng)市場規(guī)模為6.4661億美元，預計到2030年將達到15.039億美元，2022年至2030年的復合年增長率（CAGR）為11.13%。

能量收集是一種很有前途的IoT電源解決方案，尤其是當IoT設備安裝在人跡罕至的地區(qū)，無法定期維護電池時，能量收集技術有效延長了設備的生命周期，并消除了固定充電電池作為能源的限制，在技術層面解決了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展因供電難題所面臨的種種挑戰(zhàn)，讓千億物聯(lián)傳感的大規(guī)模部署變得可行。