能量收集和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即將到來 - 無圖版
hrconn --- 2014-11-13 09:11:49
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移動(dòng)電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挿憾鄻�。產(chǎn)品涵蓋了從平均功耗僅幾μW的無線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)到采用好幾百瓦時(shí)電池組的車載醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等眾多門類。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現(xiàn)出一些相對一致的發(fā)展趨勢；即：設(shè)計(jì)人員不斷地要求其產(chǎn)品擁有較高的功率以支持更多的功能，并指望能從任何可用的電源來給電池充電。
第一個(gè)趨勢將意味著增加電池容量。不幸的是，用戶常常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時(shí)間之內(nèi)完成充電，這就必然導(dǎo)致充電電流的增大。第二個(gè)趨勢則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性，因?yàn)樗鼈冃枰幚砀鞣N各樣的輸入電源和功率。此外，支持“物聯(lián)網(wǎng)”的無線傳感器用量的激增也使人們對于可適應(yīng)無線低功率設(shè)備之小型、緊湊和高效電源轉(zhuǎn)換器的需求量有所增長。
隸屬于IoT領(lǐng)域、同時(shí)從能量收集的角度來看也是值得期待的新興應(yīng)用市場之一是可穿戴式電子產(chǎn)品。盡管其尚處在起步階段，但該市場已經(jīng)包括了諸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼鏡等產(chǎn)品。然而，一種業(yè)已獲得很高期望的特殊形式則是腕表。
電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)
低功率應(yīng)用是指擁有毫微功率轉(zhuǎn)換要求的應(yīng)用，比如WSN中常見的能量收集系統(tǒng)等，其必需采用負(fù)責(zé)處理極低功率和電流的電源轉(zhuǎn)換IC。這可以分別是數(shù)量級(jí)為幾十μW的功率和nA級(jí)的電流。
最先進(jìn)和現(xiàn)有的能量收集(EH)技術(shù)(例如：振動(dòng)能量收集和室內(nèi)或可穿戴式光伏單元)在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的經(jīng)驗(yàn)可以說明，無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長壽命的電池類似。而且，采用EH的系統(tǒng)通常將能夠在電池耗盡之后實(shí)施再充電，而這一點(diǎn)卻是由主電池供電的系統(tǒng)所做不到的。盡管如此，大多數(shù)解決方案還是將某種環(huán)境能量源作為主電源，但把一個(gè)主電池作備用，當(dāng)環(huán)境能量源消失或中斷時(shí)可接通主電池以提供電能。
當(dāng)然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于工作狀態(tài)的時(shí)間。因此，能量收集電源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會(huì)遇到較低的、變化的和不可預(yù)測的可用功率，因而設(shè)計(jì)者通常采用了一種能量收集器和一個(gè)輔助電源相連的混合結(jié)構(gòu)。輔助電源可以是一個(gè)可再充電電池或一個(gè)存儲(chǔ)電容 (甚至有可能是超級(jí)電容)。由于收集器可提供無限的能量供應(yīng)和功率不足而成為系統(tǒng)能源。輔助電能儲(chǔ)存器 (一個(gè)電池或一個(gè)電容)可產(chǎn)生較高的輸出功率，但儲(chǔ)存的能量較少，它在有需要時(shí)供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集的環(huán)境能量時(shí)，必須采用輔助電能儲(chǔ)存器來給下游電子系統(tǒng)或 WSN供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度而言這將導(dǎo)致復(fù)雜程度的進(jìn)一步增加，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在必須考慮這樣一個(gè)問題：“為了應(yīng)對環(huán)境能量源缺乏的情況而提供補(bǔ)償，應(yīng)在輔助儲(chǔ)存器中存儲(chǔ)多少能量呢?”
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