能量收集可以在物联网中启用 1 万亿个无电池传感器

无线物联网传感设备可以放置在人、设备、基础设施和我们的环境之上、之中或附近。这为我们提供了应对 21 世纪世界最紧迫挑战的新工具：从气候变化到确保清洁能源、安全食品，以及最重要的是关心老龄化人口的健康和福祉。然而，要实现这一目标，我们需要解决“为物联网提供动力”的差距。也就是说，解决方案需要使用比为其供电的物联网设备寿命更长的电池。

本文探讨了能量收集 (EH) 驱动的解决方案可以为物联网提供的关键贡献。在未来几年内可能部署的数万亿传感器中，绝大多数将是超低功耗 (ULP) 无线传感器。这些也是EH的最佳选择，既可以补充外部电源，也可以作为独立电源。

我们为物联网提供动力的方法对于实现每天改变我们世界的众多技术至关重要。例如，联网和自动驾驶汽车 (CAV) 将依赖于具有高带宽和低带宽连接性的可靠且无处不在的传感，所有这些都需要提高功率密度和减轻重量——这是自供电无线传感器的两件事网络支持。

费用

EH 的一个主要附加值是通过捕获运行环境中的环境能量，在消耗点提供/补充系统能量。 EH 实施的合理性和成功，特别是在总拥有成本方面，高度依赖于计算回报的方法。例如，将 EH 功能的系统材料清单与成本约为 0.25 美元的一次性纽扣电池相比，为 EH 功能增加 3 到 5 美元似乎很疯狂。即使忽略环境和可持续性因素，财务分析也需要考虑很多因素。如果该电池需要更换，那么仅劳动力/访问物流成本就可以将纽扣电池节省数个数量级 - 如果该电池处于恶劣和/或难以接近的环境中，例如混凝土墙，天堂禁止，高天花板、人体或深油井。

环境能量

EH 需要使用可用的环境能量——热、振动、光——作为电源。有一个最佳点，从大约 1 微瓦到几百微瓦，其中存在“双重影响”，即现有电源的消耗显着减少，并提高了使用来自合理尺寸的收割机的环境能量的可行性。这可以显着延长电池寿命，在某些情况下甚至可以实现完全的电源自主。 （这在最近的欧盟出版物中进行了讨论，如图 1 所示。 ⁱ )

将 EH 集成到系统设计中所带来的一个关键挑战是处理本质上可能非常零星的能源。他们需要能量存储和电源管理设备/电路来捕获能量并使其可供以后使用。不仅必须做出独特的工程努力来解决从环境清除中提取功率的问题，而且对于每种 EH 方法，这些需求中的许多都可能不同。换句话说，光伏 (PV) 与热电发电机 (TEG) 或振动采集相比，从 EH 传感器捕获原始能量和功率转换/管理/调节需求是不同的。即使为不同类型的光伏电池供电，也可能因技术而异。一般方法往往受原始、收获能量的性质驱动，无论是直流（PV、TEG）还是交流（振动、摩擦电、射频）。

PV 电池直接转换来自太阳和/或人造光源的光能，而 TEG 从温差中提取能量以产生电能。振动（电动或压电）和摩擦电源源自物理运动。 RF 捕获通常涉及使用整流天线 (rectenna) 和平衡网络，然后通常将其馈入 DC/DC 转换块。

一个最佳的、支持 EH 的系统解决方案可能需要最大功率点跟踪 (MPPT) 和/或仔细控制的阻抗匹配，以充分实现其最大能量潜力。此外，许多环境能量处于非常低的功率和电压水平。大多数商用现货 (COTS) 电源管理 IC (PMIC) 无法将低于 10 μW 和 100 mV 的能量转换为可用电能。由研究社区驱动的解决这个问题的一个例子是廷德尔国家研究所（爱尔兰科克）正在开发的 MISCHIEF 平台。 MISCHIEF 是一种创新的高效率、低静态电流 PMIC，能够处理前所未有的环境能量范围，特别是在以前无法使用的低于 10 μW 的范围内。它是模块化且高度可配置的，因此很容易添加新的电路块和/或调整设定点范围。它还具有一个数字接口，使其能够与其他组件交互以动态调整其操作模式（睡眠、待机、感知、传输、处理）。这在满足应用需求的同时最大限度地降低了它们的功耗。

储能对于间歇性能源至关重要，因为它为处理峰值需求提供了缓冲，因此上游电源只需提供系统稳态需求，而不是最坏情况下的峰值功率需求。

创建 EH 生态系统

Power IoT 和 EH 社区的贡献者——开发人员、材料和设备制造商，以及安装人员、集成商和最终用户——倾向于在孤立的环境中工作。然而，要使 EH 成功地渗透到主流应用中，EH 传感器人员必须与电源管理和储能人员密切合作，更不用说与许多其他低功率系统组件供应商和最终用户合作了。对于本文重点介绍的许多传感器网络、低功耗类型的应用尤其如此。

在权力中。

参考资料：

一世。 https://www.enables-project.eu/wp-content/uploads/2021/02/EnABLES_ResearchInfrastructure_PositionPaper.pdf

ii. http://www.enerharv.com/

iii. https://www.psma.com/technical-forums/energy-harvesting

iv. M. Hayes 和 B. Zahnstecher，“5G、物联网和能量收集的良性循环”，IEEE 电力电子杂志 , 卷。 8，没有。 2021 年 9 月 3 日