2021年04月12日 | 时隔十年，能量收集系统又变得火热

本文编译自：Semiengineering

在停滞了数年之后，能量收集技术在特定市场上看到了新的流行趋势。

成本、制造工艺和市场制约了这项技术的发展，自从能量收集系统被吹捧为消费类电子产品和设备的最佳方法之后，已经过去十多年了。事实证明，太阳能，风能和水力发电技术已成功为大型工厂乃至城市供电，但为小型设备供电却极少。

“我一直认为这看起来很有希望，但从未真正引起人们的注意。”e-peas北美销售和业务发展高级总监Joe Ward说。“但我认为现在它正变得越来越重要。要真正实现能量收集技术，必须要意识到电池系统的痛苦。客户需要在使用寿命、更换、处置方面遇到真正的麻烦。”

尽管没有被普遍采用，但今天在某些特定的应用中正在进行能量收集。消费类应用可能仅限于可穿戴设备，但只要有回报，某些工业市场就会迅速推动。

Arm杰出工程师James Myers表示：“无需维护就可以永久运行的能量收集微控制器的前景仍然令人激动。但是仍然存在许多挑战，并且采用速度已经减慢了。”

英飞凌PSS RF部门的首席工程师Christian Bretthauer表示：“不需要布线并且不需要更换电池的传感器网络是最有前途的系统。”

至少那是承诺。“除了通常的小面积太阳能/光伏发电，一些热电发电机和大型电磁振动采集设备以外，目前还没有可为工业物联网和火车中的无线传感器供电的能量采集系统。”Inviza首席执行官Robert Andosca说。“没有任何人大规模部署基于MEMS的技术。”

如何定义能量收集

能量收集是指从操作环境的某些方面获取操作能量的能力。它可能来自光，温差，振动，RF波或许多其他物理现象。通常，只有低功率电路才有足够的能量。

图1：能量收集适用于低功率电路，理想情况下是无需更换电池，但更现实的作用是延长了电池的使用寿命。资料来源：瑞萨

产生能量的方式存在质的差异。其中之一涉及对免费的环境能源的真正收获。太阳能就是一个很好的例子。否则，被捕获的能量将被浪费。

对此的一个细微变化可能被认为是能量“偷取”，即从系统的其他部分吸取能量。例如，人们可能会使用轮胎变形来为轮胎压力传感器提供动力。在这里，轮胎的旋转来自具有主要燃料或能量来源的电动机，因此这消耗了很小一部分能量。从理论上讲，这可能会增加轮胎的摩擦力，增加发动机的负荷，但是这样的影响不会很明显。能量并不是严格意义上的“自由”，但它足够接近以至于可以被认为是自由的。

能量收集的一种常见形式是大规模光伏（PV）技术。这样可以从太阳中收集能量，但是与其他能量收集世界相比，这是一个截然不同的市场，后者往往只会消耗少量的能量来运行小型传感器和其他电路。因此，出于实际目的，通常认为用于电网的PV与能量收集是分开的。

能量收集系统复活

能量收集就像十年前的MEMS和传感器一样。有关使用MEMS技术进行能量收集的想法在一定程度上推动了这一点。但是，除MEMS外，能量收集还可能涉及许多技术。它们都激发了人们的兴奋和技术思想，并催生了从未真正受到关注的公司。

能量收集的承诺曾经是（现在仍然是）能够为传感器和其他将安装在偏远地区的设备配备从周围环境获取电力的能力。真正的好处是无需定期更换电池。这些设备将自供电，从而大大降低了其管理成本。

然而，与电池相比，主要障碍之一是能量收集装置的成本。“对于消费电子产品而言，他们谈论的是1美元以下或1美元以下的产品。”瑞萨电子产品营销、物联网和基础设施业务部门高级经理Ken Imai说。“能量收集系统成本要高三到五倍。”

对于消费类应用，设备制造商根本无法证明价格敏感的设备是否能够承担增加的成本。是的，对于烟雾警报器，不要在凌晨2点大声更换新电池就可以。但是如果使用能量收集，消费者可能会为此付出代价。Ward表示：“我可以用50美分的电池做这件事，或者可以花3美元节约更换电池。最后，依然是成本取胜。”

因此，针对客户的实际成本使得该技术永远无法解决，因此大部分事情都搁置了。

基于MEMS的能量收集尤其如此，通常使用电路构建技术在硅晶片上能量收集。与芯片一样，每个晶圆的成品管芯数量推动了经济发展。解决电路问题的典型方法是将芯片尺寸继续缩小到较小的尺寸。但是能量收集的物理特性需要一定的大小才能获得良好的功率密度。

“大多数情况下，任何能量收集都取决于面积。”Andosca说，“您只能将它们缩小到现在为止。然后，您到达了功率密度限制的物理屏障。”

这就限制了能量收集装置可以有多小。对于昂贵的硅加工技术，很难使这些数字继续下降。在一个示例中，当向前预测成本降低时，用于收集振动的悬臂的成本至少为10美元。

使用其他材料（例如玻璃）作为基材可能会有所帮助，大幅面处理是另一种选择。Andosca表示：“平板显示器行业使用与半导体行业或MEMS行业用于制造传感器相同的精确技术来制造其面板。他们只是使用不同尺寸的基板和某些不同的基板材料类型。”

消除电池或扩展电池

如今，人们对能源收集的兴趣似乎正在悄然恢复，尤其是在智能城市和工业市场。原因之一是电池的消耗快于预期，并且更换电池的成本越来越高。这使得使用能量收集的收支平衡点更近了。

e-peas的Ward解释说：“人们意识到电池的寿命不会高于标称。出于某种原因，他们只是无法达到五年电池寿命的最终目标。更换成本在不断增长，因为您需要进入卡车底盘或派人去更换电池。如果您要使用成千上万个此类传感器，那将是一场噩梦。然后他们必须处理掉没电的电池。”

挑战之一是电池在不同的时间下会失效。他补充说：“其中一些电池可能会使用四年，但客户必须很早就开始计划首次出现的故障，这将预期的产品寿命缩短了一半（或更多）。”

能量收集系统组成

能量收集解决方案有两个关键部分。换能器是真正的发生器，并且有许多不同的类型。它们中的一些，例如热电发电机（TEG）和PV电池，会产生DC电压。其他设备，例如振动收集器，将产生交流电，需要整流才能使用。

Bretthauer说：“在户外应用中，PV仍然是最简单，最便宜和最可靠的选择。” “在所有移动中，振动收集器都可能很有趣。在产生大量热量的机器上，热电发电机也可能是一个不错的选择。”

解决方案的第二部分是电源管理芯片或PMIC。e-peas将此称为环境能源管理器（AEM）。尽管可以将整流和电压转移给换能器，但这将管理换能器产生的功率，这需要在其输入端提供干净的电源。对于不同的换能器，可以有不同的版本，因为换能器的物理特性决定了它们产生的电压。

图2：能量管理有助于将收集到的能量用于为电路供电以及将多余的能量引导到存储中。资料来源：e-peas

尽管人们对能量收集主要是因为它具有无需电池的特性，但建立一个比收支平衡更好的能量收集电路一直是一个挑战。这些电路本身需要电源，如果它们使用所有正在产生的电源，它们将无法使用。仅当电路可以处理电源管理且剩余的功率足以处理运行负载时，电路才可以正常运行。

这可能很难，具体取决于驱动的负载类型。在许多情况下，能量收集不能完全消除电池电量，而是可以补充电池电量。它延长了电池的使用寿命。然后，PMIC的工作就是首先使用收集的能量，并在必要时将其传送给电池。

在这样的设置中，通常将存在第二形式的能量存储。能量收集系统将需要存储它们产生的能量，以使产生的能量与消耗脱钩。这可能需要超级电容器或可充电电池（与“一次性”电池相比，也称为“二次电池”）。

在功率要求较高的地方，超级电容器更擅长更快地捕获和释放存储的能量。电池具有更高的能量密度，但其功率密度却不及后者。超级电容器的质量得到了显着改善，将泄漏降低到远低于标准电容器的水平。

虽然某些能量收集设备被实现为单独的单元，但它们也可以与其他常见电路组合。瑞萨电子具有能量收集管理功能的微控制器（MCU），可以为MCU以及其他电路供电。VDD引脚通常可以作为输入的电源，也可以用作输出。该公司正在为各种不同的换能器类型创建一个生态系统。

图3：能量收集MCU。资料来源：瑞萨

从能源的角度来看，最负责的操作之一就是无线电通信。但瑞萨表示，它可以为许多低功耗广域网（LPWA）协议供电。该公司特别表示，客户已经实际安装了LoRaWAN和LTE Cat M1无线电。

这不太可能适用于高功率协议，这些协议对于超低功率应用也没意义。 Mixel总裁兼首席执行官Ashraf Takla说：“您确实不需要发送和接收大量数据。通常，您正在传达缓慢变化的控制信号，可能是在许多不同的传感器和收集设备之间传递信号。”

如果电源不一致，也可能需要动态调整和数据缓冲。Imai补充说：“如果我们偶尔会限制收集系统的能量输入，我们可以通过限制无线电通信的数量并将数据保留在片上存储器中来减少能量释放。当我们有足够的能量输入时，我们可以传输存储的数据。”

应用很重要

由于成本方面的挑战，能量收集更多地集中在使用电池价格昂贵的应用上。可穿戴设备是一个引起消费者兴趣的消费应用领域。卡西欧G Shock手表是使用能量收集的一个示例，而衣服将是另一个示例。

为了使可穿戴设备取得成功，该技术必须是不可见的，包括发电。“我讨厌给东西充电，而且我不会给裤子充电。”Andosca说。

这个想法是从皮带的弯曲，脚的压力或执行的任何其他运动中获取能量。薄型封装可能有助于压电换能器，形成所谓的弯曲机。

农业带来了其他机会。一个例子是在牛的耳朵上使用运动传感器，当牛进入发情期时，它可以帮助提醒牧场主。这是一个传感器的明显例子，它提供了很大的实用性，但在更换电池方面却存在严重的局限性。类似地，用于土壤条件的固定传感器也将受益，因为它们将被放置在维护费用昂贵的偏远地区。

还有一些可以从收获中受益的工业设备。尽管大多数重工业都具有巨大的壁装电源可用性，但是能够在难以到达的位置安装传感器或设备而无需附近的插头可以提供便利性和灵活性。Imai提到了一个电子水龙头，例如，它可以利用水管中的涡轮机或热水和冷水之间的温差来发电。

医疗保健为能量收集提供了更多机会。Ward说：“每个人都希望密封设备，不让电线或电池露出。”

其他户外应用包括气象站等环境传感器以及结构健康传感器。后者可用于帮助维护关键基础设施，例如石油和天然气管道或桥梁。传感器可能会安装在许多难以触及的地方，从而使更换电池变得不切实际。

必要的电池寿命也因应用程序而异。Ward说：“某些农产品需要六个月的持续监控时间，而智能建筑或智能城市的应用，需要几年时间。”

汽车

汽车是能量收集系统可以帮助推动汽车电气化的另一个领域。 “当您将消费类电子产品或建筑物与汽车的能量收集系统对比时，是完全不同的。”西门子EDA机械分析部门主管Puneet Sinha说。

动能回收系统代表了当今混合动力汽车中最完善的方法。“从2009年开始，一级方程式赛车就一直在使用动能回收系统（KERS或ERS-K）来利用电动马达/发电机组将动能转换成电能。” Cadence汽车解决方案总监Robert Schweiger表示。

他补充说：“收集和回收能量也可以通过转换减震器释放的动能来完成。并且如今已经有了利用轮胎形变为压力传感器提供动力的尝试。”

但是在部署之前可能需要进一步完善。 “这些应用（再生制动除外）仍处于研究阶段。” Sinha说。“他们需要高效，但更重要的是，他们需要从商业角度出发，从系统中必须增加多少额外成本以及其中的获益。”

尽管电动汽车产生的热量比内燃机（IC）少得多，但另一种可能性是利用温差。 “电池比内燃效率高得多。”Sinha说。“在ICE中，最大效率约为35％，而电池的效率几乎为90％。您并没有承受那么多的热量，因此您必须减少热量的散发，以及减少热量的消耗。”

在另一个示例中，可以加热在低温下无法正常工作的电池，以提高性能。Sinha说：“有些公司希望在电池组中放置一个转换器，以吸收热量并将其用于电池加热。”

尽管这些都是有益的尝试，但它们不会成为推动续航里程的突破。Sinha警告说：“它们可以产生百分之几的差异，但它们的行驶距离不会因此超过250到500英里。”

在汽车领域，能量管理算法可能比其他任何应用程序都重要。“想想特斯拉Model S和奥迪e-tron，”Sinha说。“它们在尺寸和类别上都是相同的，并且两者中的电池能量相同。但是，一辆车的行驶里程比另一辆车多了30％到50％。”

他继续说：“展望未来，越来越多的公司正在投资更新软件，以提高从电池中提取能量的效率。”

展望未来

目前这些技术进展不大，实际上还处于初期。随着产品发布和市场开发在接下来的一两年内进行，我们可能会看到能量收集最终达到了过去无法获得的商业可行性水平。

也就是说，过去十年来电池的能量密度增加了三倍，而成本却不断下降。这使得能量收集的经济性成为一个移动的目标，在这种情况下，随着时间的推移，目标会越来越难。

总而言之，Arm描述了在研究能量收集时面临的三个关键挑战。“第一个挑战是关于应用程序专用性。”Myers说：“您不能在没有温度梯度的黑暗地窖或热系统中使用太阳能电池。其次，功率存在可变性。用一个1平方厘米的小电池，您可能会在户外收获毫瓦，但在办公室照明下只能收获微瓦。第三，功率密度低：能量收集系统的功率输出明显低于类似尺寸的电池。”

但是对于可以同时满足这三个挑战的应用，能量收集又显得很有前途。