能源收集开始获得动力

如今，数百亿的物联网设备由电池供电。根据计算强度和电池化学性质的不同，这些设备可以在短时间内稳定运行，也可以偶尔运行几十年。但在某些情况下，它们也可以自己收集能量，或者利用外部收集的能量，让它们几乎无限期地工作。

能量收获多年来，它一直在为半导体供电，但到目前为止，它的应用非常有限。太阳能、水力发电和地热能被大规模使用，而光、热、风、振动和无线电波在小得多的设备上的应用有限。

图1:能源包括光、电磁、热、动能等。来源:在机器状态监测中实现自供电无线传感器网络的能量收集技术:综述

在物联网在世界范围内，能量收集有望减少或消除对电池的需求。这对于难以更换电池的设备尤其有吸引力，例如牲畜传感器、智能建筑和远程监控，以及可穿戴电子产品和跟踪移动货物等应用。但到目前为止，它的用途有限。

这在一定程度上是由于输入来源和能量水平小，而且往往不可靠。此外，将环境中的能量转换为电能需要非常高效的设计，这使得这些方法的成本令人望而却步。如果一个操作需要持续的电力流动，能量储存将是另一个需要考虑的问题。

将使用硬币电池的智能物联网传感器设计与使用能量收集的智能物联网传感器设计进行比较，可以看出硬币电池的设计要简单得多。但是，虽然使用硬币电池的设计不需要额外的能量收集电路，但它需要在某些时候更换电池。

根据理论计算，大多数物联网规格都预测电池的使用寿命将从几年到20多年不等。然而，这些估计通常不考虑电池漏液和排水。与工业级物联网电池相比，消费型硬币电池的质量和可靠性要低得多。这就解释了为什么工业级电池的成本要高一个数量级。这也有助于解释能量收集的吸引力，它可以消除对电池的需求，或者在设备的生命周期内自动为电池充电。

“能量收集技术正在发展，”产品工程总监约翰·斯塔贝诺说，西门子数字工业软件．“随着物联网需求的增长，提供无电池物联网解决方案的动机很大。好处是显而易见的。不需要每隔几年就更换数千块电池，节省的成本是可观的。物联网传感器正变得更智能、更小、更低功耗。通过系统设计建模和仿真，可以实现智能传感器的最优功率预算和电路设计。因此，能量收集技术可以进行微调，以满足特定的电力需求。”

理想的用例是将高效能量收集与超低功耗相结合，以实现可持续运行。为了更好地看待问题，这里有一些来自各种来源的可用能量的例子，以及各种设备的估计能量需求:

效率的考虑
太阳能是一种很受欢迎的能源，但是使用太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率很低，这就是太阳能电池板如此巨大的原因。利用光伏(PV)半导体材料将阳光转化为电能。多个光伏电池连接在一起形成一个模块或面板。使用一种称为最大功率点(MPPT)的技术可以在从光伏模块转换功率时实现最大效率。

在电池充电的情况下，MPPT算法将PV输出和电池电压水平进行比较，然后设置最优充电电压水平。MPPT算法在寒冷的天气和/或电池大部分放电时执行最有效。

该公司首席应用工程师Kasra Khazraei表示:“太阳能是最可再生的能源之一英飞凌科技．“太阳能系统由两个主要部分组成，太阳能电池板和电力电子电路。大多数太阳能电池板的效率在20%以下，平均在17% - 18%左右。太阳能电池物理学上的突破是有意义地增加这些数字的必要条件。这就是为什么很多努力都集中在提高电力电子电路的效率上，以提高太阳系的整体能量产量。”

例如，Analog Devices公司开发了一种微型封装(1.63毫米x 1.23毫米)，用于从单个太阳能电池中收集能量。通过这种方法，该公司声称已经实现了85%至90%的效率水平，使太阳能电池板收集的几乎所有能量都得到利用。

“能量采集器的高效设计针对超低功耗应用，如车载探测器、牲畜跟踪、智能农场/城市和可穿戴消费设备，要求非常低的功耗要求(在几μ W范围内)，当使用光伏电池时，冷启动电压低于500mV，当使用热电发电机(TEG)时，电压低于100mV。一般来说，MPPT嵌入式算法是有用的，因为它最大限度地从两种来源提取能量，”意法半导体技术营销集团经理亚历山德罗·尼科西亚说。此外，还需要稳健的PCB设计来保护系统免受噪音和环境干扰的影响，这些干扰可能会导致电池过充和过放电阈值的错误触发，以及无法阻止的内部电路待机阶段和电池/负载供电连续性。”

射频能量收集设计师也正在研究高效转换能量的方法。这种方法对于无电池消费产品和电子设备无线充电等应用非常有用。一个潜在的射频能源突破用例是Powercast提供的零售电子货架标签(ESL)应用程序。

传统上，杂货店或百货公司的价格标签是由人工更改的。但价格经常变化，尤其是在打折的时候，这可能会使这个过程变得劳动密集型。为了降低劳动强度，已经有很多尝试，包括使用无线价签。无线价签方法的一个缺点是每个标签都需要有一个由电池供电的无线接收器，而且这些电池每隔几年就需要更换一次。Powercast的想法是使用无线RFID价格标签。最近，一家大型百货连锁店开始部署机器人来跟踪店内库存。这些机器人可以通过编程，用射频信号扫描无电池RFID价格标签，以便更新价格。RFID标签上显示的新价格将保持不变，直到下次扫描。用于RFID价签的Powercast RF-to-DC转换器芯片尺寸为1 x 0.6 x 0.3mm，支持频率从10MHz到6GHz，转换效率为75%。

图2:射频能量收集功能包括射频到直流转换和电压监测。来源:Powercast

“射频能量来源的强度各不相同。因此，用于将射频能量转换为直流的芯片需要高效率，最好在70%至80%的范围内。天线设计对于最大限度地收集能量也很重要，”Powercast的CTO Charles Greene评论道，“此外，设备与能量源(如专用发射机或Wi-Fi路由器)的距离也很重要，因为收集的能量与距离的平方成反比。例如，无线游戏控制器更耗电，它需要保持在距离电源一英尺的范围内。键盘耗电少，而且可以放在距离电源6英尺以内的地方。物联网传感器将在80英尺的范围内正常工作。”

低功耗的考虑
虽然能量收集很重要，但它并不会降低低功耗设计的价值，特别是在边缘应用中。ibm的执行副总裁Sailesh Chittipeddi说:“这总是关于以最低的功耗获得最大的计算能力。瑞萨电子美国公司．“新系统中的电力效率和电力消耗的概念对人们来说正变得越来越重要。这推动了行为的改变，特别是在工业领域。”

能量收集补充了这种转变，简单的解决方案通常比复杂的解决方案更好。例如，16位MCU比32位MCU功耗更低。同样，4位MCU比8位MCU功耗更低。合理的设计首先意味着产生的能量更少。

最近，越来越多的芯片制造商一直在开发工作在纳瓦(nW)范围内的超低功耗mcu。一些超低功耗mcu可以在1.8V下工作，在主动模式下仅消耗150µA /兆赫，而睡眠模式仅消耗10nA。如果需要保留内存内容，睡眠模式电流将增加到50nA，唤醒时间为2µS。这一趋势对能源收集的发展非常鼓舞人心。

“直到最近，能量收集系统设计师通常只是简单地描述他们系统的功率和能量需求，然后选择足够大的能量收集器和存储来可靠地提供这一点，”James Myers说手臂．“这工作得很好，但这意味着这些系统往往很大，也很昂贵。今天的方法正在转向应用程序规模或成本限制，这将流入电力和能源预算，系统需要为此进行设计。幸运的是，我们现在有大量的低功耗组件可供我们使用，如果它们不适合，那么可以构建一个自定义SoC，集成并符合您的需求。超低功耗处理器在这一领域特别有用，因为它们可以与无线电、执行器和非易失性内存使用等能源密集型活动进行智能权衡。它们甚至可以适应低储存量收获系统的间歇性电力供应。”

新兴标准
国际电工委员会(IEC)发布了一系列标准，以解决与振动、热和电磁能源有关的能量收集和产生的半导体设备。该标准还涉及测试和评估方法，柔性热电器件的测试方法，以及线性滑模摩擦电能收集。[1]

此外,EnOcean联盟是一个拥有500名成员的非营利组织，支持ISO/IEC 14543-3-10(称为ASK，在欧洲使用)或14543-3-11(称为FSK，在北美和日本使用)。它是一个开放的、协调的无线电标准，描述无线电参数(OSI中的物理层1)。该标准针对自供电无线设备进行了优化。

EnOcean联盟独立于EnOcean Inc.。该联盟的七家发起人包括BSC计算机公司、Eltako、EnOcean公司、NIFCO公司、IBM、微软和T-Systems多媒体解决方案。这个全球网络的成员已经创建了一个可互操作、免维护的标准，并为智能家居、智能建筑和智能空间的应用提供了认证计划。

能源收集创新与展望
能源收集的发展势头日益强劲。更多的硅产品来自Analog Devices、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、Renesas、意法半导体和德州仪器等公司。产品将更小、更轻、更智能，甚至更低的功率。许多创新正在出现，未来的可能性只受到一个人的想象力的限制。

“近年来，我们看到了对宽带隙开关开发的投资，以提高电力电子系统的效率，”英飞龙的Khazraei说。“正如我们将在未来5到10年看到的那样，采用由氮化镓和碳化硅制成的高度先进的宽带隙开关将彻底改变可再生能源系统。这些开关可以实现非常高频的功率密度和高效的设计。电路尺寸的显著减小将降低安装和维护太阳能系统的成本。”

最近，位于西雅图的华盛顿大学在一段视频中展示了一种轻便、低功耗、dandelion-like传感器漂浮在空气中，取样温度和湿度。据该校助理教授维克拉姆·莱尔(Vikram Lyer)介绍，根据采样率的不同，这种微型设备的功耗从几微瓦到10多微瓦不等。它从太阳那里获取能量。以每秒0.87米的速度，这个30毫克的装置(蒲公英的重量为1毫克)可以在微风中飞行50到100米。安全垂直着陆的概率约为95%。该设备可能被用于监测干旱地区的森林火灾。目前正在进行进一步的研究，以扩大传感器的控制和应用。

欧洲研究委员会(ERC)向德国开姆尼茨工业大学提供了150万欧元的研究经费，用于开发世界上最小的电池——智能粉尘电池。在过去电池研究的基础上，该团队制定了一个目标，开发一种能够为超级小型计算机和电子应用提供每平方厘米100微瓦能量的电池。当这成为现实时，它可以嵌入到未来依靠能量收集来充电的物联网设备中。

EnOcean公司总裁兼联合创始人Oliver Sczesny表示:“能源收集技术将继续发展，传统公司以及初创公司将带来新的想法和创新。例如，太阳能和热能收集有很多研究正在进行薄，灵活，通常可打印的能量收集器箔。目前已经有了原型机，特别是太阳能的批量生产已经开始。这些类型的收割机提供了广泛的可能性，从为小型传感器供电到大规模的能量收集。”

其他正在开发的概念包括无线无电池身体传感器网络，利用近场服装来监测穿着者的生理状况，以及无线软传感器来测量患者对受伤的脆弱性。人们也在尝试从电路的瞬态能量中获取新方法。预计研究机构、创新型高科技公司和初创公司将继续提出能量收集的新想法。

Metis Microsystems创始人兼首席执行官Azeez Bhavnagarwala表示:“计算系统用1和0表示信息，其中二进制数据的信息令牌通常以电荷的形式存在于CMOS芯片中。”“A‘1’在电路节点上表示，方法是将电荷从芯片的电网移动到节点，将其电势提高到芯片的供电电压。“0”表示在电路节点上，通过抽走在该节点上的电荷，将其电势降低到芯片的参考地电势。在这两种情况下，这些持有数据的电路节点充当静电能量的来源或接收器——相当于电路节点上的“硅电池”。这种硅电池可以作为芯片内的能量资源，提供内存和算术组件所需的一些能量。”

这是一个重要的转变。Bhavnagarwala表示:“基于CMOS的静态存储器(6T SRAM、8T寄存器文件、CAM和数字CIM阵列)的电路IP已经开发出来，用于收集瞬态片上数据，从而将CMOS组件的能量延迟提高一个数量级。”“这种改进可以在不改变工作电压或CMOS工艺的情况下进行。采集瞬态片上数据还会对其他设计指标产生有利影响，例如在存在显著MOS器件变化的情况下信号发展的不确定性。与从环境源获取能量的传统技术不同，数据收集方法和电路不需要局限于低功率密度的应用，如跟踪器或传感器网络。它们可以为广泛的处理器提供动力——从边缘的高耗能设备到加速器和数据中心的网络硬件。”

期待在未来看到更多这种技术。

参考文献
能量收集标准:

•IEC 62830 - 1:2017
•IEC 62830 - 2:2017
•IEC 62830 - 3:2017
•IEC 62830 - 4:2019
•IEC 62830 - 5:2021
•IEC 62830 - 6:2019
•IEC 62830 - 7:2021

资源
https://www.enocean-alliance.org/wp-content/uploads/2020/04/SmartAcknowledge_Specification_v1.7.pdf
https://www.enocean-alliance.org/specifications/
https://www.enocean-alliance.org/wp-content/uploads/2020/04/factsheet_Certification_EN_Jul122018.pdf