能量收集技术，能否解决物联网设备“缺电”问题？

 

图源：freepik.com

物联网（IoT）和机器对机器（M2M）设备在我们日常生活中的应用越来越广泛。通过在各种日常物品中安装的传感器，我们可以收集和分析各种类型的数据，还可以远程控制设备或在没有人为干预的情况下操控它们。这些智能设备在极大地改善人们的工作和生活质量的同时，也带动着整个物联网（IoT）行业的发展。

 

 

 

3,003亿美元

2021年

6,505亿美元

2026年

 

全球著名分析机构Markets and Markets的研究数据表明，2021年，全球物联网市场的收入规模高达3,003亿美元，接下来还将以16.7%的复合年增长率（CAGR）快速增长，预计到2026年将攀升至6,505亿美元。

 

 

影响因素

推动物联网市场发展的因素有多方面，包括使用成本的不断降低，低功耗传感技术、高速连接技术和边缘计算等创新技术的持续应用等。全球大量的智慧城市计划得以实施，也为物联网市场提供了有利可图的发展机会。为此，Fortune Business Insight给出了更加令人欢欣鼓舞的预测，他们认为，预计到2030年全球物联网市场将从2023年的6,622.1亿美元增长到33,529.7亿美元，复合年增长率更是达到了26.1%。

 

 

基础组件

传感器是物联网设备中的重要组件，它们可以测量周围的一切，包括方位、运动、光线、声音、湿度和温度，甚至血压和心率等生物特征。作为物联网基础的传感器和智能模块，必须有合适的电力供应才能发挥通信和数据收集的作用。然而，因工作场景的限制，这些体积小、重量轻的物联网设备常常被安装在常人难以访问的地方。目前为传感器节点供电的方案主要依赖于电池技术。因电池需要定期更换，随着时间的推移，不仅更换成本高昂且对环境不利。在目前的状态下，解决传感器持续供电问题成为推动物联网普及的重大挑战。

 

 

能量收集：解决IoT设备缺电问题

 

最近几年，能量收集技术引起了行业的广泛关注。有了它，电子设备可以在没有传统电源的情况下保持正常运行，消除了对电线或更换电池的需要。

 

 

能量收集原理

从原理上讲，能量收集是一种从各种非常规来源收集少量能量的技术，这些非常规来源包括设备周围的光、热、振动和无线电波，有时它也被称为环境发电。与产生巨大能量的大型太阳能和风能装置不同，能量采集器只从其周围环境中收集微小的能量，这些电能仅供可穿戴电子设备和无线传感器网络等小型电子设备使用。该技术不仅消除了将昂贵的电力电缆连接到偏远地区的需要，也解决了频繁更换电池的这一行业难题。

 

 

能量收集设备

对于物联网设备而言，有了能量收集技术的加持，电源线、需要更换的电池或可充电的电池这些场景很可能都会消失，那些智能设备将成为真正的无线设备。这一点对于安装在人员难以到达的地方的设备尤其有用，它们可以无需额外的维护而保持长期运行。现在，已经有许多物联网和M2M设备开始使用能量收集方案，预计未来使用量还会大幅增加。

 

 

四种常用的IoT能量收集技术

 

配备了能量收集技术的物联网设备可以采集不同形式的来自外部来源的能量，这些环境能源最常见的有太阳能、热能、流量和射频无线电等。

 

01 光能采集

 

太阳为人类带来了取之不尽的能量，即使在阳光有限的气候下，太阳能也是一种不错的能源选择。因此，光能采集成为广为人知的一种能量收集方式。现实中，从计算器到时钟，许多设备都是由自己的光能采集器供电的。由于光源往往是间歇性的，太阳能电池需要与超级电容器结合使用，以保证提供稳定的能源。不过，这里所说的光能采集并不是可并网发电的那种大型太阳能技术。

 

Texas Instruments（TI）的BQ25504是该公司智能集成能量采集Nano-Power管理解决方案中的第一款产品，该器件专门设计用于有效获取和管理太阳能或热电发电机（TEG）等各种直流电源产生的微瓦（µW）至毫瓦（mW）功率，非常适合超低功率应用，如具有严格功率和操作要求的无线传感器网络（WSN）。

 

BQ25504的设计始于DC-DC升压转换器/充电器，该转换器/充电器仅需要微瓦的功率即可开始工作。一旦启动，升压转换器/充电器就可以有效地从低电压输出采集器（如热电发电机或单电池或双电池太阳能电池板）中提取电能。BQ25570还集成了一个电源管理系统（PMIC），通过使用双电路来提高电压，同时防止电池过度充电或爆炸。收集的能量可以储存在可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或传统电容器中。

 

图1：BQ25504光能采集应用电路

（图源：Texas Instruments）

 

 

02 热能采集

 

热能采集技术中的热电采集器利用的是塞贝克（Seebeck）效应。在塞贝克效应中，当两点之间存在温度差时，导电材料上会产生电流。比如，合理利用机器或化工厂的热量，就可以将其转化为电能，为工厂的监测传感器供电。由体温提供动力的手表以及为高温环境（如工业供暖系统）中的无线传感器节点供电也是一些可能的应用。

 

热能采集方案中的热电发电机（TEG）由热电偶阵列组成，串联在一起的热电偶可连接到一个公共热源，如发动机、热水器，甚至太阳能电池板的背面。能够输出多少电能取决于TEG的大小和可以保持的温差。Micropelt的TE-CORE7热能收集模块可转换本地可用的废热，为低功率设备提供长寿命运行，其中的TEG将热量转化为电荷，然后将其升压，储存在100µF电容器中，并调节至5.5V。在50°C的温度下运行，TE-CORE 7可提供6.424mAh的电量，相当于三到四节AA电池。

 

 

图2：TE-CORE7热能收集模块
（图源：Mouser）

 

针对热能采集，TI有一款实用的参考设计——TIDA-00246，这是一款热电发生器（TEG）通用能量采集适配器模块参考设计，旨在为能量收集提供通用解决方案，同时为热电发电机  提供实际应用。

 

 

03 RF能量采集

 

我们的身边充斥着大量的无线电波，这些电波中的微小能量也可以被收集并转化为电能。对于射频（RF）能量的采集，近年来人们的注意力主要集中在使用整流天线将微波转换为直流电的发电和传输技术上。比如，RFID可通过对直接针对传感器的强本地信号（而非环境RF）进行整流来工作。

 

Powercast公司的P2110B 915MHz RF Powerharvester接收器是一种将射频转换为直流电的RF能量采集设备。P2110B将RF能量转换为DC并将其存储在电容器中，当电容器上达到充电阈值时，P2110B将电压升压到设定的输出电压电平，并使能电压输出。当电容器上的电荷下降到低电压阈值时，电压输出将关闭。P2110B接收器采用紧凑的SMD封装，可以提供一个完整的、无电池的无线传感器节点，该节点可以在低至-11.5dBm的RF输入下工作，典型应用包括用于工业监控、建筑自动化、智能电网、农业和国防应用的无电池无线传感器。

图3：Powercast公司的P2110B RF能量采集方案（图源：Mouser）

 

 

04 振动能量（动能）采集

 

门、旋转的轮子、流动的水，甚至人的活动都会产生动能。振动能量采集基于的是电磁感应或者压电效应原理。在电磁感应中，当磁铁或线圈相对于彼此移动时会产生电流。在压电效应中，当压力施加到压电材料上时，材料发生极化从而产生电流。通过这些方式，线圈和压电材料可以用于从日常生活中存在的振动和旋转中产生电能。

 

若将振动能量采集器被集成到传感器中，当汽车驶过传感器带时，压电效应将产生一股电流为传感器供电，接下来传感器可将交通数据传输到中央服务器。压电换能器在受力时会发电，因此，它们还可以成为检测电机轴承噪音和机翼振动的能量收集方案。

 

一个完整的能量收集系统通常由三个部件组成：专用换能器、接口电路和接收器。换能器或能量采集单元从环境源中采集能量，并将其转换为电能。接口电路的功能是从采集单元中提取最大量的能量，并使能量水平与特定接收器或负载兼容，这是通过不同的功率管理方法实现的，包括电压调节或整流等。接收器可以包括不同的传感器、换能器或任何其他电子电路。

 

STMicroelectronics的SPV1050是一款超低功率高效功率管理器，它嵌入了四个MOSFET用于升压或降压-升压DC-DC转换器，以及一个用于负载连接/断开的额外晶体管。内部高精度MPPT算法可用于最大化从太阳能面板或TEG提取的功率。内部逻辑通过在触发VEOC阈值时或在触发VUVP阈值时打开传输晶体管以保持电池寿命来保证对充电结束电压（VEOC）和最小电池电压（VUVP）的严密监控。

图4：意法半导体SPV1050能量收集功率管理器（图源：STMicroelectronics）

 

 

能量收集市场前景

 

能量收集允许电子设备在没有传统电源的情况下运行，从而消除了对电线或更换电池的需求。

 

 

能量收集的挑战

随着能源收集越来越受欢迎，它们必须克服的挑战也在增加。首先，从能量收集中获得的能量往往是微弱和不稳定的，只有在非常小的功率下工作的设备才能使用能量收集技术。其次，目前的能量收集设备的成本比较高，为了助力实现未来的智能城市、智能家居和智能工厂，能源收集方案还应在降本增效上下功夫。需要注意的是，由于能量源通常很小，因此支撑电子器件必须具有很高的功率效率。

 

 

技术进步及市场趋势

人口的增长增加了对能源消费的需求，环境中大量可用的看起来微小的能量被直接或间接地浪费。捕获这种能量并将其转换为电能可以用于自主电子设备或电路。基于传感器的能量收集系统和节能收集组件的技术进步推动了全球市场的增长。

 

来自Grand View Research的分析：2020年，全球能源收集系统市场规模约为4.522亿美元，预计2020年至2028年将以10.2%的复合年增长率（CAGR）增长。市场的增长主要源于物联网不断增长的应用，包括智能城市、智能家居、工业物联网（IIoT）和机器对机器（M2M）通信等。从技术角度看，振动能量收集方案引领了2020年的市场，该细分市场占据了2020年全球市场32%的收入份额。

 

 

能量收集组件发展

根据组件，能量收集涉及到传感器、换能器、电源管理IC（PMIC）、二次/备用电池等。传感器是能量收集系统中极其关键的部件之一，它们负责收集环境光能、动能、温差和压力变化，以转化为可用的能量。2020年，传感器组件以超过34.5%的收入领跑市场。

 

据Precedence Research分析，2022年，全球能源收集系统市场规模为6.4661亿美元，预计到2030年将达到15.039亿美元，2022年至2030年的复合年增长率（CAGR）为11.13%。

 

能量收集是一种很有前途的IoT电源解决方案，尤其是当IoT设备安装在人迹罕至的地区，无法定期维护电池时，能量收集技术有效延长了设备的生命周期，并消除了固定充电电池作为能源的限制，在技术层面解决了物联网发展因供电难题所面临的种种挑战，让千亿物联传感的大规模部署变得可行。

 

 

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