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能量收获显示了新的生命迹象

焦点正在转移到帮助电池而不是更换它们。

受欢迎程度

在某些特定市场,能源收集活动重新活跃起来。多年前,一些引人注目的将能源收集应用于消费电子产品的尝试陷入停滞。

成本,制造挑战和市场抵抗使这项技术远离前进,十多年来被吹捧为最难以访问的消费电子和设备的最佳方式。虽然太阳能,风和水电技术已经成功地为大型工厂甚至城市供电,但收获足够的能量以电源较小的设备在很大程度上下降。

e-peas北美地区销售和业务发展高级总监乔·沃德(Joe Ward)表示:“我一直认为这看起来很有希望,但它从未真正产生过吸引力。”“但我认为它现在正变得至关重要。要想真正理解能量收集,就必须有一些与电池相关的痛苦。客户需要在使用寿命、更换和处理垃圾方面遇到问题。”

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

“能源收集微控制器的前景仍然非常令人兴奋,它可以在不需要维护的情况下永远运行,”James Myers说手臂。“但是一些挑战仍然存在,并且在一些利基之外的一般采用放缓。”

Christian Bretthauer,主要工程师英飞凌的PSS RF分部指出,行动可能在哪里。他说:“不需要有线和不需要更换电池的传感器网络是最有前途的驱动。”

至少这是他们的承诺。“没有物联网现在的传感器是通过能量收集来供电的,除了典型的小面积太阳能/光伏发电,一些热TEGs和大苹果大小的电磁振动收集来为无线传感器供电以外工业物联网以及在火车上。”英维扎公司首席执行官罗伯特·安多斯卡说道。“目前还没有大规模部署基于mems技术的矿车。”

定义能量收获
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。它可以来自光,温度差异,振动,射频波或许多其他物理现象。通常,仅对低功耗电路有足够的能量。

图1:能量收集适用于低功率电路,理想地替换电池,但更现实地说,延长电池的寿命。来源:瑞萨
图1:能量收集适用于低功率电路,理想地替换电池,但更现实地说,延长电池的寿命。来源:瑞萨

如何产生能量的定性差异。人们涉及真正的收获或扫除自由的环境能源。太阳能是一个很好的例子。被捕获的能量将被浪费。

另一种稍微不同的说法可能被认为是能源“偷猎”,即能源从系统的其他部分被吸走。例如,可以利用轮胎的变形为轮胎压力传感器提供动力。这里轮胎的旋转来自于发动机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,但预计这种影响不会很明显。能量并不是严格意义上的“自由”,但它已经接近可以被认为是自由的了。

一种常见的能源收集形式是大规模光伏(PV)技术。这是一个从太阳获取能量的市场,但它与其他能源收集领域非常不同,后者倾向于消耗少量的能量来运行小型传感器和其他电路。因此,在实际应用中,用于电网的PV通常被认为是与能源收集分离的。

复苏
大约十年前,能源收集的发展与MEMS和传感器的发展是一样的。这在一定程度上是由利用MEMS技术收集能量的想法推动的。但是除了MEMS,能量收集还可以涉及许多技术。它们都产生了令人兴奋的技术创意,并催生了一些从未真正吸引人的公司。

能源收集的前景是——现在仍然是——能够在偏远地区安装传感器和其他设备,通过一种方式从周围获取电力。真正的好处是不需要定期更换电池。这些设备可以自动供电,大大降低了管理成本。

然而,与电池相比,主要的障碍之一是能源收集的成本。瑞萨(Renesas)产品营销、物联网和基础设施业务部门高级经理Ken Imai表示:“在消费电子领域,他们谈论的是低于1美元或至多1美元的价格。”“能量采集要高出三到五倍。”

对于消费者应用程序,设备制造商根本无法证明对价格敏感的设备所增加的成本是合理的。是的,让烟雾报警器在凌晨2点不发出新电池的嗡嗡声是件好事,但如果要使用能量采集,消费者可能会因价格太高而望而却步。“我可以花50美分买电池,也可以花3美元买能源,”沃德在描述系统制造商的困境时说。最终,成本获胜。

因此,实际的成本和消费者的支付方式使得这项技术看起来永远不会完全停止。大部分事情都搁置了。

基于mems的能量收集尤其如此,它通常使用电路构建技术建立在硅片上。就像芯片一样,每个晶圆的模具数量决定了经济效益。典型的方法,与电路是继续扩大模具尺寸到更小的尺寸。但是,能量收集的物理要求一定的尺寸,以获得良好的功率密度。

“任何能源收获的东西都依赖于大部分依赖性”,“andosca说。“到目前为止,你只能缩小它们。然后你击中了电力密度局限的物理墙。“

这就限制了能量收集设备的体积。对于昂贵的硅处理技术来说,这个数字很难实现。在一个例子中,当预测未来成本降低时,用于收集振动的悬臂的成本上限为10美元。

使用其他材料如玻璃作为衬底可能会有帮助,而大尺寸处理是另一种选择。Andosca表示:“平板显示行业使用与半导体行业或MEMS行业用于制造传感器的完全相同的技术来制造面板。”“他们只是使用了不同尺寸的基材和一些不同类型的基材。”

不用电池——或者延长电池寿命
如今,人们对能源采集的兴趣似乎悄然重燃——尤其是在智能城市和工业市场。其中一个原因是电池耗损的速度比预期的要快,而且更换电池的成本也越来越高。这使得利用能源收集的收支平衡点更近了。

“人们开始意识到电池并不像他们说的那么持久,”e-peas的沃德解释说。“出于某种原因,他们就是达不到5年电池寿命的最终目标。更换电池的成本在增长,因为你需要开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,那将是一场噩梦。然后他们还得处理掉那些没电的电池。”

一个挑战是电池在非常不同的年龄失败。“一些电池可能持续四年,但客户必须在第一个故障周围开始计划,这将预期的产品寿命减半(或更多),”他补充说。

里面有什么
能源收集的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(TEGs)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,需要整流才能发挥作用。

“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。“在所有移动的东西上,振动收割机可以是有趣的。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。”

第二部分解决方案是电源管理芯片或PMIC。E-PEA是指这是一个环境能源经理(AEM)。这将管理换能器产生的功率,尽管它可以将整流和电压移到换能器,但在其输入时需要清洁源。对于不同的换能器,可以存在不同的版本,因为换能器的物理学确定了它们产生的电压。

图2:能量管理有助于利用收集的能量为电路供电,并将多余的能量储存起来。来源:e-peas

图2:能量管理有助于利用收集的能量为电路供电,并将多余的能量储存起来。来源:e-peas

虽然人们主要讨论的是能量收集的能力,因为它可以消除电池,但长期以来,创造比收支平衡更好的收集电路一直是一个挑战。这些电路本身需要能量,如果它们使用了所有产生的能量,它们就没有用处了。只有当电路能够处理电源管理,并且有足够的剩余电源来处理操作负载时,电路才能成功。

这可能是艰难的,具体取决于它的驾驶的那种。在许多情况下,能量收获不需要完全消除电池,而是为了补充它,延长电池的寿命。然后,它成为PMIC的工作,首先使用收获的能量,必要时将物件转移到电池中。

在这种装置中,通常会有第二种形式的能量储存。能源收集系统将需要储存它们所产生的能量,以实现发电与消费的分离。这可能需要超级电容器或可充电电池(也称为“二次电池”,而一次性电池是“一次电池”)。

在功率要求较高的地方,超级电容能更快地捕捉和释放存储的能量。电池有更高的能量密度,但它们的功率密度没有电池那么好。超级电容器的质量有了显著的提高,泄漏量大大低于标准电容器。

虽然一些能量收集装置是作为单独的单元来实现的,但它们也可以与其他公共电路相结合。瑞萨拥有一个具有能量收集管理能力的微控制器(MCU)。它可以为单片机和其他电路供电。VDDPIN,通常是将电源应用为输入的位置,可用作输出。该公司正在为各种不同的传感器类型创建生态系统。

图3:能量收获MCU。来源:瑞萨

图3:能量收获MCU。来源:瑞萨

从能源的角度来看,最昂贵的操作之一就是无线电通信。但瑞萨表示,它可以为许多低功率广域(LPWA)协议供电。该公司特别表示,客户已经实现了LoRaWAN和LTE Cat M1无线电。

这不太可能为更高功率的协议工作 - 但这些协议也可能对这些超低功耗应用没有意义。“你真的不需要发送和接受大量数据,”总统兼首席执行官Ashraf Takla说Mixel。“大多数情况下,你是在缓慢地传递不同的控制信号,可能是在许多不同的传感器和收集设备之间。”

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等方式来减少能量排放。”“当我们有足够的能量输入时,我们就可以传输存储的数据。”

应用问题
由于成本的挑战,能源收集更侧重于使用主电池昂贵的应用。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,服装也是一个例子。

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:“我讨厌给东西充电,我也不会给我的裤子充电。”

这个想法是从皮带的弯曲中获得能量,或者鞋中的脚压力,或我们执行的任何其他运动。薄包装可能有助于压电收割机的运作,从而创建被称为弯曲的内容。

农业呈现其他机会。一个例子是在牛的耳朵上使用运动传感器,这有助于在奶牛进入雌性时帮助警告牧场主。这是传感器的一个清晰示例,提供了很大的实用程序,但为改变电池提供了严重限制。同样,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距离服务昂贵的远程位置。

还有一些工业设备可以从收获中受益。虽然大多数重工业的特点是墙壁电力的巨大可用性,但能够安装传感器或设备在难以触及的地方,附近没有插头,可以提供轻松和灵活。Imai提到了一种电子水龙头,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。

医疗保健为能源收集提供了更多的机会。沃德说:“每个人都想密封设备,而不是让电线或电池进出。”

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油气管道等关键基础设施,或桥梁。传感器可能会安装在许多难以到达的地方,使电池更换不切实际。

必要的电池寿命也因应用而异。沃德说:“一些农产品需要6个月的时间。“在智能建筑或智能城市方面,他们想争取几年的时间。”

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时,与谈论汽车或车辆时相比,能量收集的意义是不同的,”普尼特·辛哈(Puneet Sinha)说,他是新移动部门的主任,机械分析部门西门子eda.

再生制动代表了今天混合动力汽车中最佳的这种方法。“自2009年以来,公式1一直在使用动能回收系统(KERS或ERS-K)进行动能恢复,利用电动机/发电机单元将汽车的动能转换成电能,”Robert Schweiger说:汽车解决方案总监节奏

其他从不同系统获取能源的机会正在探索中。他补充说:“通过将减震器释放出的动能进行转换,也可以收集并回收能量。”有人曾试图利用轮胎变形为轮胎压力传感器提供动力。

但是在部署之前可能需要更多的改进。“这些应用(除了再生制动)仍在大学研究阶段,”Sinha说。“它们需要高效,但更重要的是,它们还需要具有商业意义,考虑到你将为系统增加多少额外成本,以及你将从中获得多少利益。”

另一种可能性是利用温度差异,尽管电动汽车产生的热量比内燃(IC)发动机更少。“电池比内燃烧更有效,”Sinha说。“在IC发动机中,最大效率在35%左右的某个效率,而电池差别近90%。你不玩那么多热量,所以你必须去除少量的热量,但是你有更少的热量可以玩。“

另一个例子是,电池在寒冷时不能正常工作,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,这样他们就可以吸收热量,并用它来加热电池。

虽然这些都是有用的可能性,但它们不会成为推动前距离的突破。“他们可以达到几个百分比,但它们不会从250到500英里的范围内,”僧侣警告说。

在汽车中可能比任何其他应用程序都多,能源管理算法至关重要。“想想Tesla Model S和奥迪E-Tron,”Sinha说。“它们是相同的车辆尺寸和它们所处的课程,并且两者都具有相同数量的电池能量。但是一辆车比另一辆车比另一辆车达到30%至50%。“

“越来越展望,越来越多的公司正在投资于更新软件,以便您有效地提取电池的能量,”他继续。“这种能量总是在那里撒谎,但你有效地提取出来吗?”

展望未来
这些发展都是悄无声息地进行着,而且还处于起步阶段。在未来一两年内,随着产品发布和市场开发的展开,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,电池的能量密度在过去十年里上升了三倍,成本也在不断下降。这使得能源获取的经济效益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在研究能源收集时描述了三个关键挑战。“第一个挑战是针对特定应用的。你不能在黑暗的地窖中使用太阳能电池,也不能在没有温度梯度的地方使用热电。”迈尔斯说。“其次,还有权力的可变性。有一个小的1厘米2牢房您可能会收获米利瓦窗户户外,但仅在办公室照明下进行微大。第三,低功率密度:收割机具有比相似尺寸的电池更低的电源输出。“

但对于可以满足这三项挑战的应用,能源收获似乎很有希望。



1评论

Diogene7 说:

我会认为一个有趣的机会是将至少一个能量存在的技术集成在智能手机上作为一个小型安全备用电源仅适用于紧急呼叫:如果智能手机(iPhone)或SmartWatch(Apple Watch)的电池持平,您将始终能够为使用GPS位置发送2MN呼叫的能量。它甚至应该是我谦虚意见的强制性特征......

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