能源收集显示出新的生命迹象

在一些备受瞩目的将能源收集技术应用于消费电子产品的尝试陷入停滞数年之后，部分市场的能源收集活动再度活跃起来。

成本、制造挑战和市场阻力阻碍了这项技术的发展，十多年前，它曾被吹捧为消费电子产品和难以获得的设备的最佳发展方式。虽然太阳能、风能和水力发电技术已经被证明成功地为大型工厂甚至城市供电，但收集足够的能量来为小型设备供电基本上是失败的。

e-peas北美销售和业务发展高级总监乔·沃德(Joe Ward)说:“我一直认为这看起来很有前景，但它从未真正受到关注。”“但我认为它现在正在达到临界质量。要真正体会到能量收集的好处，就必须经历一些与电池相关的痛苦。客户需要担心它的使用寿命，更换它的麻烦，以及处理它。”

虽然没有被普遍采用，但有一些特定的应用能量采集今天正在进行吸收。消费者应用可能仅限于可穿戴设备，但一些工业市场正在推动其复苏——只要有回报。长期的制造改进可能会增加应用范围。

“能量收集微控制器的承诺，永远不需要维护，仍然是非常令人兴奋的，”詹姆斯迈尔斯说，杰出的工程师手臂．“但仍然存在一些挑战，阻碍了少数利基市场以外的普遍采用。”

Christian Bretthauer，首席工程师英飞凌的PSS射频部，指出了行动可能在哪里。他说:“不需要布线，也不需要更换电池的传感器网络是最有前途的驱动因素。”

至少这是承诺。“没有物联网这种传感器是由能量收集提供动力的——不是现在，除了典型的小面积太阳能/光伏，一些热teg，以及大型苹果大小的电磁振动收集来为无线传感器提供动力工业物联网以及在火车上，”Inviza首席执行官罗伯特·安多斯卡说。“目前还没有人大规模部署基于mems的收割机。”

定义能量收集
能量收集是指从运行环境的某些方面获取运行能量的能力。它可能来自于光、温差、振动、射频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耗电路，理想情况下可以替换电池，但更现实的是，可以延长电池的寿命。来源:瑞萨

能量产生的方式存在质的差异。一种是真正的采集或清除环境能源，这些能源是免费的。太阳能就是一个很好的例子。否则所捕获的能量就会被浪费掉。

这可能被认为是能量的“偷猎”，即从系统的其他部分吸取能量。例如，可以利用轮胎的变形来为轮胎压力传感器供电。这里轮胎的旋转来自于马达它有一个主要的燃料或能量来源，所以这拉动了一小部分能量。理论上，这可能会增加轮胎的摩擦力，增加发动机的负荷，但预计任何这样的影响都不会很明显。这种能量并不是严格意义上的“免费”，但也足以被视为免费。

一种常见的能量收集形式是大规模光伏(PV)技术。它从太阳能中获取能量，但这是一个与其他能源收集领域非常不同的市场，后者往往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，光伏电网通常被认为与能量收集是分开的。

复苏
十年前，MEMS和传感器经历了同样的浪潮，能量收集也经历了同样的浪潮。这在一定程度上是由使用MEMS技术进行能量收集的想法推动的。但能量收集除了MEMS之外还涉及许多技术。它们都带来了兴奋和技术创意，并催生了从未真正受到关注的公司。

能源收集的前景是——现在仍然是——能够装备传感器和其他设备，这些设备将安装在偏远地区，并从周围环境获取电力。真正的好处是不需要定期更换电池。这些设备可以自我供电，极大地降低了管理成本。

然而，与电池相比，主要的障碍之一是能量收集实施的成本。瑞萨公司产品营销、物联网和基础设施业务部门高级经理Ken Imai表示:“对于消费电子产品领域，他们谈论的是低于1美元或最高1美元的价格。”“能量收集要高出三到五倍。”

对于消费类应用，设备制造商根本无法证明在价格敏感设备上增加的成本是合理的。是的，烟雾警报器不会在凌晨2点发出嗡嗡声来换新电池是件好事，但如果使用能量收集技术，消费者可能会因为价格而犹豫。沃德说:“我可以买50美分的电池，也可以花3美元买能源。”他这样描述这家系统制造商的困境。最终，成本胜出。

因此，成本与客户愿意支付的成本之间的现实，让人觉得这项技术永远不会完全成熟。大部分事情都暂停了。

基于mems的能量收集尤其如此，它通常是在使用电路构建技术的硅片上构建的。与芯片一样，每块晶圆的生产芯片数量决定着经济效益。电路的典型方法是继续将模具尺寸缩小到更小的尺寸。但是能量收集的物理需要一定的尺寸才能获得良好的功率密度。

安多斯卡说:“大部分情况下，任何能量收集都依赖于区域。”“你只能把它们缩小到一定程度。然后你就会碰到功率密度限制的物理墙。”

这就限制了能量收集设备的尺寸。对于昂贵的硅加工技术来说，很难让这些数字生效。在一个例子中，一个用于收集振动的悬臂，在预测未来成本降低时，成本上限为10美元。

使用玻璃等其他材料作为衬底可能会有所帮助，而大幅面加工是另一种选择。Andosca说:“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技术来制造面板。”“他们只是使用了不同尺寸的基板和一些不同的基板材料类型。”

消除电池——或者延长电池使用时间
如今，人们对能源收集的兴趣似乎悄然重燃——尤其是在智慧城市和工业市场。原因之一是电池的损耗速度比预期的要快，而且更换电池的成本越来越高。这使得使用能量收集的盈亏平衡点更近了。

e-peas的沃德解释说:“人们意识到电池的续航时间并不像他们说的那么长。“出于这样或那样的原因，他们就是无法实现电池寿命为5年的最终目标。更换电池的成本正在增长，因为你需要动用卡车或派人去更换电池。如果你要做成千上万个这样的传感器，那就是一场噩梦。然后他们必须处理掉没电的电池。”

其中一个挑战是，电池的失效时间非常不同。他补充说:“其中一些电池可能可以使用四年，但客户必须围绕第一次故障开始计划，这将使预期的产品寿命缩短一半(或更多)。”

里面有什么
能量收集解决方案有两个关键部分。换能器是真正的发电机，有许多不同的类型。其中一些，如热电发电机(teg)和光伏电池，产生直流电压。其他的，如振动收割机，将产生交流电源，需要整流才有用。

“在户外应用中，光伏仍然是最简单、最便宜和最可靠的选择，”Bretthauer说。“在任何移动的东西上，振动收割机都很有趣。在产生大量热量的机器上，热电收割机可能也是一个不错的选择。”

解决方案的第二部分是电源管理芯片(PMIC)。E-peas将其称为环境能量管理器(AEM)。这将管理由换能器产生的功率，尽管它可能会留下整流和电压转移到换能器，需要在其输入端的清洁电源。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:能量管理有助于使用收集的能量为电路供电，以及将多余的能量引导到存储中。来源:e-peas

虽然能量收集主要是由于其消除电池的能力而被讨论，但长期以来，创造出比收支平衡更好的收集电路一直是一个挑战。这些电路本身需要电力，如果它们消耗了所有产生的电力，它们就没有用了。只有当电路能够处理电源管理，并有足够的剩余功率来处理操作负载时，电路才能成功。

这可能很困难，这取决于它所驱动的负载类型。在许多情况下，能量收集不是为了完全消除电池，而是补充它，延长电池的寿命。然后，PMIC的工作是首先使用收集到的能量，必要时将数据交给电池。

在这样的设置中，通常会有第二种形式的能量存储。能量收集系统将需要储存它们产生的能量，以便将发电与消耗脱钩。这可能需要超级电容器或可充电电池(也称为“二次电池”，与一次性电池“一次电池”相反)。

在功率要求较高的地方，超级电容器能更好地捕获和更快地释放储存的能量。电池有更高的能量密度，但它们的功率密度远不如电池。超级电容器的质量有了显著的提高，将泄漏降低到远低于标准电容器的水平。

虽然一些能量收集装置是作为单独的单元实现的，但它们也可以与其他公共电路组合在一起。瑞萨拥有具有能量收集管理功能的微控制器(MCU)。它可以为MCU以及其他电路供电。V_DD引脚，通常是电源作为输入的地方，可以用作输出。该公司正在为各种不同类型的传感器创建一个生态系统。

图3:能量收集MCU。来源:瑞萨

从能源的角度来看，最昂贵的操作之一可能是无线电通信。但瑞萨表示，它可以支持许多低功耗广域(LPWA)协议。该公司特别表示，客户已经安装了LoRaWAN和LTE Cat M1无线电。

这不太可能适用于更高功率的协议，但这些协议对于这些超低功耗应用程序也可能没有意义。公司总裁兼首席执行官Ashraf Takla说:“你真的不需要发送和接收大量数据Mixel．“大多数情况下，你是在交流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等设备之间。”

如果电源不一致，也可能需要动态适应和数据缓冲。Imai补充说:“如果我们偶尔限制收割机的能量输入，我们可以通过限制无线电通信的数量和将数据保存在芯片存储器中来减少能量放电。”“当我们有足够的能量输入时，我们就可以传输存储的数据。”

应用程序问题
由于成本的挑战，能量收集更侧重于使用一次电池成本昂贵的应用。只有一个消费者应用领域引起了人们的兴趣——可穿戴设备。卡西欧(Casio) G Shock手表就是一个使用能量收集技术的例子，另外一个例子是服装。

然而，为了让可穿戴设备获得成功，这项技术必须是隐形的——包括发电。安多斯卡说:“我讨厌充电，我也不会给我的裤子充电。

这个想法是从腰带的弯曲，或脚在鞋子里的压力，或我们所做的任何其他动作中获得能量。薄包装可能有助于压电收集器的功能，创造所谓的弯曲。

农业提供了其他机会。其中一个例子是在牛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。这是一个很明显的例子，传感器提供了很大的实用性，但在更换电池方面存在严重的限制。同样，用于土壤条件的固定式传感器也将受益，因为它们将被放置在维修费用昂贵的偏远地区。

也有一些工业设备可以从收割中受益。虽然大多数重工业都具有巨大的墙壁电源可用性，但能够将传感器或设备安装在难以到达的地方，而且附近没有插头，可以提供方便和灵活性。例如，今井提到了一种电子水龙头，它可以利用水管中的涡轮或冷热水之间的温差来发电。

医疗保健为能量收集提供了更多的机会。沃德说:“每个人都想密封设备，不让电线或电池进出。

其他户外应用包括环境传感器，如气象站，以及结构健康传感器。后者可用于帮助维护石油和天然气管道或桥梁等关键基础设施。传感器可能会安装在许多难以到达的地方，这使得更换电池变得不切实际。

所需的电池寿命也因应用而异。沃德说:“一些农产品需要六个月的时间。“在智能建筑或智能城市方面，他们试图获得几年的时间。”

汽车的机会
汽车是另一个收获可以帮助为汽车电气化提供燃料的领域。“当你看到消费电子产品或建筑物时，与你谈论汽车或交通工具时，能量收集有不同的含义，”该公司机械分析部门的新移动主管普尼特·辛哈(Puneet Sinha)说西门子EDA．

再生制动是当今混合动力汽车中最成熟的这种方法。“自2009年以来，f1一直在使用动能回收系统(KERS或ERS-K)进行动能回收，利用电动马达/发电机单元将汽车制动时的动能转化为电能，”宝马汽车解决方案总监罗伯特·施威格(Robert Schweiger)说节奏．

人们正在探索从各种系统中获取能量的其他机会。他补充说:“也可以通过转换减震器释放的动能来收集和回收能量。”有人尝试用轮胎变形来驱动轮胎压力传感器。

但是在部署之前可能还需要更多的改进。“这些应用(除再生制动外)仍处于大学研究阶段，”Sinha说。“它们需要高效，但更重要的是，它们需要在商业上有意义，考虑到你将不得不给系统增加多少额外成本，而你将从中获得多少收益。”

另一种可能是利用温差，尽管电动汽车产生的热量比内燃机少得多。“电池比内燃机效率高得多，”辛哈说。“在IC发动机中，最高效率约为35%，而电池的效率接近90%。你没有那么多的热量，所以你必须去除更少的热量，但这样你就没有那么多的热量来玩了。”

在另一个例子中，电池在冷却时不能正常工作，可以通过加热来提高性能。辛哈说:“有些公司希望在电池组中安装一个转换器，这样他们就可以将热量用于加热电池。”

虽然这些都是有益的可能性，但它们不会成为推动旅行距离向前发展的突破。辛哈警告说:“它们可以带来百分之几的改变，但它们不会把行驶里程从250英里提高到500英里。”

在汽车领域，能量管理算法可能比其他任何应用都更重要。“想想特斯拉Model S和奥迪e-tron，”辛哈说。“这两辆车的尺寸和级别是一样的，电池的电量也是一样的。但其中一辆车的行驶里程比另一辆多30%到50%。”

“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，”他继续说道。“能量一直都在那里，但你能如何有效地提取它呢?”

展望未来
这些发展都在悄无声息地进行，而且确实还处于早期阶段。随着未来一两年产品的推出和市场的开发，我们可能会看到能源收集最终达到过去无法达到的商业可行性水平。

也就是说，在过去的十年里，电池的能量密度提高了三倍，成本也在不断下降。这使得能源收集的经济学成为一个移动的目标——在这种情况下，随着时间的推移，这个目标会变得越来越难。

总而言之，Arm描述了在研究能量收集时的三个关键挑战。“第一个挑战是应用程序特异性。你不能在黑暗的地窖或没有温度梯度的热电房里使用太阳能电池，”迈尔斯说。“其次，存在权力的可变性。带小1厘米²在室外你可能收获毫瓦的电量，但在办公室照明下只能收获微瓦。第三，功率密度低:矿车的功率输出比同等大小的电池要低。”

但对于可以满足这三个挑战的应用，能量收集看起来又有希望了。