能量采集解锁万亿级无电池物联网传感器
无线IoT感测设备可部署于人体、设备、基础设施、环境于/在/附近，赋予我们应对21世纪最紧迫挑战的新工具：气候变化、清洁能源、食品安全、首要的是老龄化人口健康福祉。但须解决“IoT供电”缺口：方案需靠比IoT设备寿命更长的电池运行。
本文探讨能量采集(EH)供电方案对IoT的关键贡献。未来几年可部署万亿传感器，绝大多数为超低功耗(ULP)无线型，也是EH最佳候选——EH可补充外部供电或独立供电。
成本视角：全生命周期成本重塑EH价值
EH主要增值在于在消费点捕获环境能量提供/补充系统能量。EH实施成败（特别是全生命周期成本）高度依赖回本计算方式。例如，为EH能力增加$3-5物料成本对比批量$0.25纽扣电池似疯狂。甚至忽略环境可持续因素，财务分析大有文章：若电池需更换，仅人工/准入物流成本即可按数量级抵消纽扣电池节省——更别提电池在混凝土墙内、高天花板、人体内、深油井等恶劣/难达环境。
环境能量源与功率管理挑战
EH利用热、振动、光等环境能量。1微瓦至几百微瓦“黄金区间”存在“双重冲击”：显著减轻现有电源负担且合理尺寸采集器可行利用环境能，大幅延长电池寿命甚至完全供电自主（近期EU出版物论述并图1示意）。
集成EH关键挑战：环境能源间歇性强，需储能与功率管理器件/电路捕获能量供后用。不仅各EH方式需独特工程提取功率，不同方式需求各异：光伏(PV)、热电(TEG)、振动采集的原始能量捕获与功率转换/管理/调节需求不同。甚至不同PV电池供电需求差异巨大。总由原始采集能量性质驱动：直流(PV、TEG)或交流(振动、摩擦电、RF)。
PV直接转换太阳/人造光能；TEG利用温差发电；振动(电动/压电)与摩擦电源自物理运动；RF典型用整流天线(整流天线)平衡网络再接DC/DC转换模块。
最优EH系统方案可能需最大功率点跟踪(MPPT)和/或精控阻抗匹配充分发挥能量潜力。许多环境能量功率电压极低，市售COTS电源管理IC(PMIC)多无法将10μW以下、100mV以下能量转可用电。Tyndall国家研究院(爱尔兰科克)开发的MISCHIEF平台为社区驱动解决此类问题：创新高效低静态电流PMIC，能处理前所未有的环境能量范围特别是10μW以下此前不可用域。模块化高配置易添加电路模块/调整设定点范围，数字接口可与其他组件动态交互调整工作模式(睡眠、待机、感测、发射、处理)，最小化功耗满足应用需求。
储能与EH生态系统构建
间歇能源储能关键：提供缓冲应对峰值需求，上游电源仅供系统稳态而非峰值功率需求。IoT供电与EH社区贡献者——开发者、材料器件制造商、安装商、集成商、终端用户——倾向孤岛式工作。但EH要大规模渗透主流应用，EH换能器厂商须与功率管理储能厂商紧密合作，更别提众多低功耗系统组件供应商与终端用户。这对本文聚焦的传感器网络低功耗应用尤为真实。
参考文献：
- EnABLES研究基础设施立场文件
- EnerHarv官网
- PSMA能量采集技术论坛
- M. Hayes and B. Zahnstecher, "The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting," IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, Sept. 2021
传感器