能量收集技術(shù)，能否解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備“缺電”問題？

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）設(shè)備在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)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(yuǎn)程控制設(shè)備或在沒有人為干預(yù)的情況下操控它們。這些智能設(shè)備在極大地改善人們的工作和生活質(zhì)量的同時(shí)，也帶動(dòng)著整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)的發(fā)展。

全球著名分析機(jī)構(gòu)Markets and Markets的研究數(shù)據(jù)表明，2021年，全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的收入規(guī)模高達(dá)3,003億美元，接下來(lái)還將以16.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2026年將攀升至6,505億美元。

推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)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(shù)、高速連接技術(shù)和邊緣計(jì)算等創(chuàng)新技術(shù)的持續(xù)應(yīng)用等。全球大量的智慧城市計(jì)劃得以實(shí)施，也為物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)提供了有利可圖的發(fā)展機(jī)會(huì)。為此，F(xiàn)ortune Business Insight給出了更加令人歡欣鼓舞的預(yù)測(cè)，他們認(rèn)為，預(yù)計(jì)到2030年全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)將從2023年的6,622.1億美元增長(zhǎng)到33,529.7億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率更是達(dá)到了26.1%。

基礎(chǔ)組件

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的重要組件，它們可以測(cè)量周圍的一切，包括方位、運(yùn)動(dòng)、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(chǔ)的傳感器和智能模塊，必須有合適的電力供應(yīng)才能發(fā)揮通信和數(shù)據(jù)收集的作用。然而，因工作場(chǎng)景的限制，這些體積小、重量輕的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(diǎn)供電的方案主要依賴于電池技術(shù)。因電池需要定期更換，隨著時(shí)間的推移，不僅更換成本高昂且對(duì)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(dòng)物聯(lián)網(wǎng)普及的重大挑戰(zhàn)。

能量收集：解決IoT設(shè)備缺電問題

最近幾年，能量收集技術(shù)引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。有了它，電子設(shè)備可以在沒有傳統(tǒng)電源的情況下保持正常運(yùn)行，消除了對(duì)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(lái)源收集少量能量的技術(shù)，這些非常規(guī)來(lái)源包括設(shè)備周圍的光、熱、振動(dòng)和無(wú)線電波，有時(shí)它也被稱為環(huán)境發(fā)電。與產(chǎn)生巨大能量的大型太陽(yáng)能和風(fēng)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(shè)備和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等小型電子設(shè)備使用。該技術(shù)不僅消除了將昂貴的電力電纜連接到偏遠(yuǎn)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(shè)備

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，有了能量收集技術(shù)的加持，電源線、需要更換的電池或可充電的電池這些場(chǎng)景很可能都會(huì)消失，那些智能設(shè)備將成為真正的無(wú)線設(shè)備。這一點(diǎn)對(duì)于安裝在人員難以到達(dá)的地方的設(shè)備尤其有用，它們可以無(wú)需額外的維護(hù)而保持長(zhǎng)期運(yùn)行?，F(xiàn)在，已經(jīng)有許多物聯(lián)網(wǎng)和M2M設(shè)備開始使用能量收集方案，預(yù)計(jì)未來(lái)使用量還會(huì)大幅增加。

四種常用的IoT能量收集技術(shù)

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

01 光能采集

太陽(yáng)為人類帶來(lái)了取之不盡的能量，即使在陽(yáng)光有限的氣候下，太陽(yáng)能也是一種不錯(cuò)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(shí)中，從計(jì)算器到時(shí)鐘，許多設(shè)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(yáng)能電池需要與超級(jí)電容器結(jié)合使用，以保證提供穩(wěn)定的能源。不過(guò)，這里所說(shuō)的光能采集并不是可并網(wǎng)發(fā)電的那種大型太陽(yáng)能技術(shù)。

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(shè)計(jì)用于有效獲取和管理太陽(yáng)能或熱電發(fā)電機(jī)（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(yīng)用，如具有嚴(yán)格功率和操作要求的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。

BQ25504的設(shè)計(jì)始于DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，該轉(zhuǎn)換器/充電器僅需要微瓦的功率即可開始工作。一旦啟動(dòng)，升壓轉(zhuǎn)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(jī)或單電池或雙電池太陽(yáng)能電池板）中提取電能。BQ25570還集成了一個(gè)電源管理系統(tǒng)（PMIC），通過(guò)使用雙電路來(lái)提高電壓，同時(shí)防止電池過(guò)度充電或爆炸。收集的能量可以儲(chǔ)存在可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級(jí)電容器或傳統(tǒng)電容器中。

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

02 熱能采集

熱能采集技術(shù)中的熱電采集器利用的是塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。在塞貝克效應(yīng)中，當(dāng)兩點(diǎn)之間存在溫度差時(shí)，導(dǎo)電材料上會(huì)產(chǎn)生電流。比如，合理利用機(jī)器或化工廠的熱量，就可以將其轉(zhuǎn)化為電能，為工廠的監(jiān)測(cè)傳感器供電。由體溫提供動(dòng)力的手表以及為高溫環(huán)境（如工業(yè)供暖系統(tǒng)）中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電也是一些可能的應(yīng)用。

熱能采集方案中的熱電發(fā)電機(jī)（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(gè)公共熱源，如發(fā)動(dòng)機(jī)、熱水器，甚至太陽(yáng)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(zhuǎn)換本地可用的廢熱，為低功率設(shè)備提供長(zhǎng)壽命運(yùn)行，其中的TEG將熱量轉(zhuǎn)化為電荷，然后將其升壓，儲(chǔ)存在100μF電容器中，并調(diào)節(jié)至5.5V。在50°C的溫度下運(yùn)行，TE-CORE 7可提供6.424mAh的電量，相當(dāng)于三到四節(jié)AA電池。

圖2：TE-CORE7熱能收集模塊（圖源：Mouser）

針對(duì)熱能采集，TI有一款實(shí)用的參考設(shè)計(jì)——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(shè)計(jì)，旨在為能量收集提供通用解決方案，同時(shí)為熱電發(fā)電機(jī) 提供實(shí)際應(yīng)用。

03 RF能量采集

我們的身邊充斥著大量的無(wú)線電波，這些電波中的微小能量也可以被收集并轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)于射頻（RF）能量的采集，近年來(lái)人們的注意力主要集中在使用整流天線將微波轉(zhuǎn)換為直流電的發(fā)電和傳輸技術(shù)上。比如，RFID可通過(guò)對(duì)直接針對(duì)傳感器的強(qiáng)本地信號(hào)（而非環(huán)境RF）進(jìn)行整流來(lái)工作。

Powercast公司的P2110B 915MHz RF Powerharvester接收器是一種將射頻轉(zhuǎn)換為直流電的RF能量采集設(shè)備。P2110B將RF能量轉(zhuǎn)換為DC并將其存儲(chǔ)在電容器中，當(dāng)電容器上達(dá)到充電閾值時(shí)，P2110B將電壓升壓到設(shè)定的輸出電壓電平，并使能電壓輸出。當(dāng)電容器上的電荷下降到低電壓閾值時(shí)，電壓輸出將關(guān)閉。P2110B接收器采用緊湊的SMD封裝，可以提供一個(gè)完整的、無(wú)電池的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可以在低至-11.5dBm的RF輸入下工作，典型應(yīng)用包括用于工業(yè)監(jiān)控、建筑自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防應(yīng)用的無(wú)電池?zé)o線傳感器。

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

04 振動(dòng)能量（動(dòng)能）采集

門、旋轉(zhuǎn)的輪子、流動(dòng)的水，甚至人的活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能。振動(dòng)能量采集基于的是電磁感應(yīng)或者壓電效應(yīng)原理。在電磁感應(yīng)中，當(dāng)磁鐵或線圈相對(duì)于彼此移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流。在壓電效應(yīng)中，當(dāng)壓力施加到壓電材料上時(shí)，材料發(fā)生極化從而產(chǎn)生電流。通過(guò)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(dòng)和旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生電能。

若將振動(dòng)能量采集器被集成到傳感器中，當(dāng)汽車駛過(guò)傳感器帶時(shí)，壓電效應(yīng)將產(chǎn)生一股電流為傳感器供電，接下來(lái)傳感器可將交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器。壓電換能器在受力時(shí)會(huì)發(fā)電，因此，它們還可以成為檢測(cè)電機(jī)軸承噪音和機(jī)翼振動(dòng)的能量收集方案。

一個(gè)完整的能量收集系統(tǒng)通常由三個(gè)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(zhuǎn)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(fù)載兼容，這是通過(guò)不同的功率管理方法實(shí)現(xiàn)的，包括電壓調(diào)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(gè)MOSFET用于升壓或降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，以及一個(gè)用于負(fù)載連接/斷開的額外晶體管。內(nèi)部高精度MPPT算法可用于最大化從太陽(yáng)能面板或TEG提取的功率。內(nèi)部邏輯通過(guò)在觸發(fā)VEOC閾值時(shí)或在觸發(fā)VUVP閾值時(shí)打開傳輸晶體管以保持電池壽命來(lái)保證對(duì)充電結(jié)束電壓（VEOC）和最小電池電壓（VUVP）的嚴(yán)密監(jiān)控。

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

能量收集市場(chǎng)前景

能量收集允許電子設(shè)備在沒有傳統(tǒng)電源的情況下運(yùn)行，從而消除了對(duì)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(lái)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(shè)備才能使用能量收集技術(shù)。其次，目前的能量收集設(shè)備的成本比較高，為了助力實(shí)現(xiàn)未來(lái)的智能城市、智能家居和智能工廠，能源收集方案還應(yīng)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(shù)進(jìn)步及市場(chǎng)趨勢(shì)

人口的增長(zhǎng)增加了對(duì)能源消費(fèi)的需求，環(huán)境中大量可用的看起來(lái)微小的能量被直接或間接地浪費(fèi)。捕獲這種能量并將其轉(zhuǎn)換為電能可以用于自主電子設(shè)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(shù)進(jìn)步推動(dòng)了全球市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

來(lái)自Grand View Research的分析：2020年，全球能源收集系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模約為4.522億美元，預(yù)計(jì)2020年至2028年將以10.2%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)。市場(chǎng)的增長(zhǎng)主要源于物聯(lián)網(wǎng)不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用，包括智能城市、智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信等。從技術(shù)角度看，振動(dòng)能量收集方案引領(lǐng)了2020年的市場(chǎng)，該細(xì)分市場(chǎng)占據(jù)了2020年全球市場(chǎng)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(guān)鍵的部件之一，它們負(fù)責(zé)收集環(huán)境光能、動(dòng)能、溫差和壓力變化，以轉(zhuǎn)化為可用的能量。2020年，傳感器組件以超過(guò)34.5%的收入領(lǐng)跑市場(chǎng)。

據(jù)Precedence Research分析，2022年，全球能源收集系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模為6.4661億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到15.039億美元，2022年至2030年的復(fù)合年增長(zhǎng)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(dāng)IoT設(shè)備安裝在人跡罕至的地區(qū)，無(wú)法定期維護(hù)電池時(shí)，能量收集技術(shù)有效延長(zhǎng)了設(shè)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(shù)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。