【導讀】物聯網（IoT）和機器對機器（M2M）設she備bei在zai我wo們men日ri常chang生sheng活huo中zhong的de應ying用yong越yue來lai越yue廣guang泛fan。通tong過guo在zai各ge種zhong日ri常chang物wu品pin中zhong安an裝zhuang的de傳chuan感gan器qi，我wo們men可ke以yi收shou集ji和he分fen析xi各ge種zhong類lei型xing的de數shu據ju，還hai可ke以yi遠yuan程cheng控kong製zhi設she備bei或huo在zai沒mei有you人ren為wei幹gan預yu的de情qing況kuang下xia操cao控kong它ta們men。這zhe些xie智zhi能neng設she備bei在zai極ji大da地di改gai善shan人ren們men的de工gong作zuo和he生sheng活huo質zhi量liang的de同tong時shi，也ye帶dai動dong著zhe整zheng個ge物wu聯lian網wang（IoT）行業的發展。

全球著名分析機構Markets and Markets的研究數據表明，2021年，全球物聯網市場的收入規模高達3,003億美元，接下來還將以16.7%的複合年增長率（CAGR）快速增長
，預計到2026年將攀升至6,505億美元。

推動物聯網市場發展的因素有多方麵，包括使用成本的不斷降低，低功耗傳感技術
、gaosulianjiejishuhebianyuanjisuandengchuangxinjishudechixuyingyongdeng。quanqiudaliangdezhihuichengshijihuadeyishishi，yeweiwulianwangshichangtigongleyouliketudefazhanjihui。weici，Fortune Business Insight給出了更加令人歡欣鼓舞的預測，他們認為，預計到2030年全球物聯網市場將從2023年的6,622.1億美元增長到33,529.7億美元，複合年增長率更是達到了26.1%。

基礎組件

傳感器是物聯網設備中的重要組件
，它們可以測量周圍的一切，包括方位、運動、光線、聲音、濕(shi)度(du)和(he)溫(wen)度(du)，甚(shen)至(zhi)血(xue)壓(ya)和(he)心(xin)率(lv)等(deng)生(sheng)物(wu)特(te)征(zheng)。作(zuo)為(wei)物(wu)聯(lian)網(wang)基(ji)礎(chu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)智(zhi)能(neng)模(mo)塊(kuai)，必(bi)須(xu)有(you)合(he)適(shi)的(de)電(dian)力(li)供(gong)應(ying)才(cai)能(neng)發(fa)揮(hui)通(tong)信(xin)和(he)數(shu)據(ju)收(shou)集(ji)的(de)作(zuo)用(yong)。然(ran)而(er)
，因(yin)工(gong)作(zuo)場(chang)景(jing)的(de)限(xian)製(zhi)，這(zhe)些(xie)體(ti)積(ji)小(xiao)
、重zhong量liang輕qing的de物wu聯lian網wang設she備bei常chang常chang被bei安an裝zhuang在zai常chang人ren難nan以yi訪fang問wen的de地di方fang。目mu前qian為wei傳chuan感gan器qi節jie點dian供gong電dian的de方fang案an主zhu要yao依yi賴lai於yu電dian池chi技ji術shu。因yin電dian池chi需xu要yao定ding期qi更geng換huan
，隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi，不bu僅jin更geng換huan成cheng本ben高gao昂ang且qie對dui環huan境jing不bu利li。在zai目mu前qian的de狀zhuang態tai下xia
，解jie決jue傳chuan感gan器qi持chi續xu供gong電dian問wen題ti成cheng為wei推tui動dong物wu聯lian網wang普pu及ji的de重zhong大da挑tiao戰zhan。

能量收集：解決IoT設備缺電問題

zuijinjinian
，nengliangshoujijishuyinqilexingyedeguangfanguanzhu。youleta，dianzishebeikeyizaimeiyouchuantongdianyuandeqingkuangxiabaochizhengchangyunxing
，xiaochuleduidianxianhuogenghuandianchidexuyao。

能量收集原理

從原理上講
，能量收集是一種從各種非常規來源收集少量能量的技術，這些非常規來源包括設備周圍的光、熱、振(zhen)動(dong)和(he)無(wu)線(xian)電(dian)波(bo)，有(you)時(shi)它(ta)也(ye)被(bei)稱(cheng)為(wei)環(huan)境(jing)發(fa)電(dian)。與(yu)產(chan)生(sheng)巨(ju)大(da)能(neng)量(liang)的(de)大(da)型(xing)太(tai)陽(yang)能(neng)和(he)風(feng)能(neng)裝(zhuang)置(zhi)不(bu)同(tong)，能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)器(qi)隻(zhi)從(cong)其(qi)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)中(zhong)收(shou)集(ji)微(wei)小(xiao)的(de)能(neng)量(liang)，這(zhe)些(xie)電(dian)能(neng)僅(jin)供(gong)可(ke)穿(chuan)戴(dai)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)和(he)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)等(deng)小(xiao)型(xing)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)使(shi)用(yong)。該(gai)技(ji)術(shu)不(bu)僅(jin)消(xiao)除(chu)了(le)將(jiang)昂(ang)貴(gui)的(de)電(dian)力(li)電(dian)纜(lan)連(lian)接(jie)到(dao)偏(pian)遠(yuan)地(di)區(qu)的(de)需(xu)要(yao)，也(ye)解(jie)決(jue)了(le)頻(pin)繁(fan)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)的(de)這(zhe)一(yi)行(xing)業(ye)難(nan)題(ti)。

能量收集設備

對於物聯網設備而言
，有了能量收集技術的加持，電源線、需(xu)要(yao)更(geng)換(huan)的(de)電(dian)池(chi)或(huo)可(ke)充(chong)電(dian)的(de)電(dian)池(chi)這(zhe)些(xie)場(chang)景(jing)很(hen)可(ke)能(neng)都(dou)會(hui)消(xiao)失(shi)，那(na)些(xie)智(zhi)能(neng)設(she)備(bei)將(jiang)成(cheng)為(wei)真(zhen)正(zheng)的(de)無(wu)線(xian)設(she)備(bei)。這(zhe)一(yi)點(dian)對(dui)於(yu)安(an)裝(zhuang)在(zai)人(ren)員(yuan)難(nan)以(yi)到(dao)達(da)的(de)地(di)方(fang)的(de)設(she)備(bei)尤(you)其(qi)有(you)用(yong)
，它(ta)們(men)可(ke)以(yi)無(wu)需(xu)額(e)外(wai)的(de)維(wei)護(hu)而(er)保(bao)持(chi)長(chang)期(qi)運(yun)行(xing)。現(xian)在(zai)，已(yi)經(jing)有(you)許(xu)多(duo)物(wu)聯(lian)網(wang)和(he)M2M設備開始使用能量收集方案，預計未來使用量還會大幅增加。

四種常用的IoT能量收集技術

配備了能量收集技術的物聯網設備可以采集不同形式的來自外部來源的能量

，這些環境能源最常見的有太陽能、熱能、流量和射頻無線電等。

01 光能采集

太tai陽yang為wei人ren類lei帶dai來lai了le取qu之zhi不bu盡jin的de能neng量liang，即ji使shi在zai陽yang光guang有you限xian的de氣qi候hou下xia，太tai陽yang能neng也ye是shi一yi種zhong不bu錯cuo的de能neng源yuan選xuan擇ze。因yin此ci，光guang能neng采cai集ji成cheng為wei廣guang為wei人ren知zhi的de一yi種zhong能neng量liang收shou集ji方fang式shi。現xian實shi中zhong
，從cong計ji算suan器qi到dao時shi鍾zhong
，許xu多duo設she備bei都dou是shi由you自zi己ji的de光guang能neng采cai集ji器qi供gong電dian的de。由you於yu光guang源yuan往wang往wang是shi間jian歇xie性xing的de，太tai陽yang能neng電dian池chi需xu要yao與yu超chao級ji電dian容rong器qi結jie合he使shi用yong，以yi保bao證zheng提ti供gong穩wen定ding的de能neng源yuan。不bu過guo，這zhe裏li所suo說shuo的de光guang能neng采cai集ji並bing不bu是shi可ke並bing網wang發fa電dian的de那na種zhong大da型xing太tai陽yang能neng技ji術shu。

Texas Instruments（TI）的BQ25504是該公司智能集成能量采集Nano-Power管理解決方案中的第一款產品
，該器件專門設計用於有效獲取和管理太陽能或熱電發電機（TEG）等各種直流電源產生的微瓦（µW）至毫瓦（mW）功率
，非常適合超低功率應用，如具有嚴格功率和操作要求的無線傳感器網絡（WSN）。

BQ25504的設計始於DC-DC升壓轉換器/充電器，該轉換器/充電器僅需要微瓦的功率即可開始工作。一旦啟動，升壓轉換器/充電器就可以有效地從低電壓輸出采集器（如熱電發電機或單電池或雙電池太陽能電池板）中提取電能。BQ25570還集成了一個電源管理係統（PMIC），通過使用雙電路來提高電壓
，同時防止電池過度充電或爆炸。收集的能量可以儲存在可充電鋰離子電池、薄膜電池
、超級電容器或傳統電容器中。

圖1：BQ25504光能采集應用電路（圖源：Texas Instruments）

02 熱能采集

熱能采集技術中的熱電采集器利用的是塞貝克（Seebeck）xiaoying。zaisaibeikexiaoyingzhong，dangliangdianzhijiancunzaiwenduchashi，daodiancailiaoshanghuichanshengdianliu。biru，heliliyongjiqihuohuagongchangdereliang，jiukeyijiangqizhuanhuaweidianneng，weigongchangdejiancechuanganqigongdian。youtiwentigongdonglideshoubiaoyijiweigaowenhuanjing（如工業供暖係統）中的無線傳感器節點供電也是一些可能的應用。

熱能采集方案中的熱電發電機（TEG）由熱電偶陣列組成，串聯在一起的熱電偶可連接到一個公共熱源，如發動機、熱水器，甚至太陽能電池板的背麵。能夠輸出多少電能取決於TEG的大小和可以保持的溫差。Micropelt的TE-CORE7熱能收集模塊可轉換本地可用的廢熱，為低功率設備提供長壽命運行
，其中的TEG將熱量轉化為電荷，然後將其升壓
，儲存在100µF電容器中，並調節至5.5V。在50°C的溫度下運行，TE-CORE 7可提供6.424mAh的電量，相當於三到四節AA電池。

圖2：TE-CORE7熱能收集模塊（圖源：Mouser）

針對熱能采集
，TI有一款實用的參考設計——TIDA-00246，這是一款熱電發生器（TEG）通用能量采集適配器模塊參考設計，旨在為能量收集提供通用解決方案，同時為熱電發電機 提供實際應用。

03 RF能量采集

我們的身邊充斥著大量的無線電波，這些電波中的微小能量也可以被收集並轉化為電能。對於射頻（RF）能量的采集，近年來人們的注意力主要集中在使用整流天線將微波轉換為直流電的發電和傳輸技術上。比如，RFID可通過對直接針對傳感器的強本地信號（而非環境RF）進行整流來工作。

Powercast公司的P2110B 915MHz RF Powerharvester接收器是一種將射頻轉換為直流電的RF能量采集設備。P2110B將RF能量轉換為DC並將其存儲在電容器中，當電容器上達到充電閾值時，P2110B將電壓升壓到設定的輸出電壓電平，並使能電壓輸出。當電容器上的電荷下降到低電壓閾值時
，電壓輸出將關閉。P2110B接收器采用緊湊的SMD封裝，可以提供一個完整的、無電池的無線傳感器節點
，該節點可以在低至-11.5dBm的RF輸入下工作，典型應用包括用於工業監控、建築自動化、智能電網
、農業和國防應用的無電池無線傳感器。

圖3：Powercast公司的P2110B RF能量采集方案（圖源：Mouser）

04 振動能量（動能）采集

門、旋轉的輪子
、liudongdeshui，shenzhirendehuodongdouhuichanshengdongneng。zhendongnengliangcaijijiyudeshidianciganyinghuozheyadianxiaoyingyuanli。zaidianciganyingzhong，dangcitiehuoxianquanxiangduiyubiciyidongshihuichanshengdianliu。zaiyadianxiaoyingzhong

，dangyalishijiadaoyadiancailiaoshangshi，cailiaofashengjihuacongerchanshengdianliu。tongguozhexiefangshi，xianquanheyadiancailiaokeyiyongyucongrichangshenghuozhongcunzaidezhendonghexuanzhuanzhongchanshengdianneng。

ruojiangzhendongnengliangcaijiqibeijichengdaochuanganqizhong
，dangqicheshiguochuanganqidaishi，yadianxiaoyingjiangchanshengyigudianliuweichuanganqigongdian，jiexialaichuanganqikejiangjiaotongshujuchuanshudaozhongyangfuwuqi。yadianhuannengqizaishoulishihuifadian，yinci，tamenhaikeyichengweijiancedianjizhouchengzaoyinhejiyizhendongdenengliangshoujifangan。

一個完整的能量收集係統通常由三個部件組成：專用換能器
、接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)和(he)接(jie)收(shou)器(qi)。換(huan)能(neng)器(qi)或(huo)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)單(dan)元(yuan)從(cong)環(huan)境(jing)源(yuan)中(zhong)采(cai)集(ji)能(neng)量(liang)
，並(bing)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能(neng)。接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)能(neng)是(shi)從(cong)采(cai)集(ji)單(dan)元(yuan)中(zhong)提(ti)取(qu)最(zui)大(da)量(liang)的(de)能(neng)量(liang)，並(bing)使(shi)能(neng)量(liang)水(shui)平(ping)與(yu)特(te)定(ding)接(jie)收(shou)器(qi)或(huo)負(fu)載(zai)兼(jian)容(rong)，這(zhe)是(shi)通(tong)過(guo)不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率(lv)管(guan)理(li)方(fang)法(fa)實(shi)現(xian)的(de)，包(bao)括(kuo)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)或(huo)整(zheng)流(liu)等(deng)。接(jie)收(shou)器(qi)可(ke)以(yi)包(bao)括(kuo)不(bu)同(tong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)
、換能器或任何其他電子電路。

STMicroelectronics的SPV1050是一款超低功率高效功率管理器，它嵌入了四個MOSFET用於升壓或降壓-升壓DC-DC轉換器
，以及一個用於負載連接/斷開的額外晶體管。內部高精度MPPT算法可用於最大化從太陽能麵板或TEG提取的功率。內部邏輯通過在觸發VEOC閾值時或在觸發VUVP閾值時打開傳輸晶體管以保持電池壽命來保證對充電結束電壓（VEOC）和最小電池電壓（VUVP）的嚴密監控。

圖4：意法半導體SPV1050能量收集功率管理器（圖源：STMicroelectronics）

能量收集市場前景

能量收集允許電子設備在沒有傳統電源的情況下運行
，從而消除了對電線或更換電池的需求。

能量收集的挑戰

隨(sui)著(zhe)能(neng)源(yuan)收(shou)集(ji)越(yue)來(lai)越(yue)受(shou)歡(huan)迎(ying)，它(ta)們(men)必(bi)須(xu)克(ke)服(fu)的(de)挑(tiao)戰(zhan)也(ye)在(zai)增(zeng)加(jia)。首(shou)先(xian)，從(cong)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)中(zhong)獲(huo)得(de)的(de)能(neng)量(liang)往(wang)往(wang)是(shi)微(wei)弱(ruo)和(he)不(bu)穩(wen)定(ding)的(de)，隻(zhi)有(you)在(zai)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)功(gong)率(lv)下(xia)工(gong)作(zuo)的(de)設(she)備(bei)才(cai)能(neng)使(shi)用(yong)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)技(ji)術(shu)。其(qi)次(ci)，目(mu)前(qian)的(de)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)設(she)備(bei)的(de)成(cheng)本(ben)比(bi)較(jiao)高(gao)，為(wei)了(le)助(zhu)力(li)實(shi)現(xian)未(wei)來(lai)的(de)智(zhi)能(neng)城(cheng)市(shi)、智(zhi)能(neng)家(jia)居(ju)和(he)智(zhi)能(neng)工(gong)廠(chang)

，能(neng)源(yuan)收(shou)集(ji)方(fang)案(an)還(hai)應(ying)在(zai)降(jiang)本(ben)增(zeng)效(xiao)上(shang)下(xia)功(gong)夫(fu)。需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，由(you)於(yu)能(neng)量(liang)源(yuan)通(tong)常(chang)很(hen)小(xiao)，因(yin)此(ci)支(zhi)撐(cheng)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)。

技術進步及市場趨勢

人(ren)口(kou)的(de)增(zeng)長(chang)增(zeng)加(jia)了(le)對(dui)能(neng)源(yuan)消(xiao)費(fei)的(de)需(xu)求(qiu)，環(huan)境(jing)中(zhong)大(da)量(liang)可(ke)用(yong)的(de)看(kan)起(qi)來(lai)微(wei)小(xiao)的(de)能(neng)量(liang)被(bei)直(zhi)接(jie)或(huo)間(jian)接(jie)地(di)浪(lang)費(fei)。捕(bu)獲(huo)這(zhe)種(zhong)能(neng)量(liang)並(bing)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能(neng)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)自(zi)主(zhu)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)或(huo)電(dian)路(lu)。基(ji)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)和(he)節(jie)能(neng)收(shou)集(ji)組(zu)件(jian)的(de)技(ji)術(shu)進(jin)步(bu)推(tui)動(dong)了(le)全(quan)球(qiu)市(shi)場(chang)的(de)增(zeng)長(chang)。

來自Grand View Research的分析：2020年
，全球能源收集係統市場規模約為4.522億美元，預計2020年至2028年將以10.2%的複合年增長率（CAGR）增長。市場的增長主要源於物聯網不斷增長的應用，包括智能城市
、智能家居、工業物聯網（IIoT）和機器對機器（M2M）通信等。從技術角度看，振動能量收集方案引領了2020年的市場，該細分市場占據了2020年全球市場32%的收入份額。

能量收集組件發展

根據組件，能量收集涉及到傳感器
、換能器

、電源管理IC（PMIC）、二次/備用電池等。傳感器是能量收集係統中極其關鍵的部件之一

，它們負責收集環境光能、動能、溫差和壓力變化，以轉化為可用的能量。2020年
，傳感器組件以超過34.5%的收入領跑市場。

據Precedence Research分析
，2022年，全球能源收集係統市場規模為6.4661億美元
，預計到2030年將達到15.039億美元
，2022年至2030年的複合年增長率（CAGR）為11.13%。

能量收集是一種很有前途的IoT電源解決方案，尤其是當IoT設she備bei安an裝zhuang在zai人ren跡ji罕han至zhi的de地di區qu，無wu法fa定ding期qi維wei護hu電dian池chi時shi
，能neng量liang收shou集ji技ji術shu有you效xiao延yan長chang了le設she備bei的de生sheng命ming周zhou期qi
，並bing消xiao除chu了le固gu定ding充chong電dian電dian池chi作zuo為wei能neng源yuan的de限xian製zhi，在zai技ji術shu層ceng麵mian解jie決jue了le物wu聯lian網wang發fa展zhan因yin供gong電dian難nan題ti所suo麵mian臨lin的de種zhong種zhong挑tiao戰zhan，讓rang千qian億yi物wu聯lian傳chuan感gan的de大da規gui模mo部bu署shu變bian得de可ke行xing。

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