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何谓能量收集?

RECOM 来源:RECOM 2023-05-10 16:30 次阅读

废弃物与机会

「一个人认为没有用的垃圾,可能对另一个人来说是个宝藏。」电子行业花费大量的工程周期、费用甚至能源来处理「余热」,特别是在数据中心等一些应用,需要大量空间和电力来解决热缓解。本文观点是将此类热源(以及其他能源)视为能量捕获或回收的机会。

针对废弃物的讨论总是围绕在如何才能摆脱它,但如果从潜在能源的角度出发,处理废弃物的可能性和方法发生了彻底变化。无论是在美国还是全球,大约三分之二的原始能源属于「余热」,这实际上代表了一个巨大机会,我们将在本文中深入探讨。

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图1-突显「余热」的美国整体能源消耗

源与负载

在之前关于物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 的文章中,我们讨论了在可用能量(例如系统电源)和负载(例如系统功率预算)之间找到适当平衡的重要性,并且重点放在如何减少负载,而不是简单地寻找更大来源。

让我们来快速复习,若能源为分母,系统功率预算为分子,系统生存能力则是这两者的拐点,减少分子的速度比增加分母的速度要快得多。换句话说,当比率 < 1 时,能量收集变得更有能力,而电子设备变得不那么耗电。

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图 2-可用功率和系统功率预算的关系

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图 3-能量收集中电源与负载的关系

这里的关键点是从技术和经济角度来看,若要让系统,应用可行的话,需仰赖设计人员降低系统功耗和智能电源管理 (IPM) 技术的能力,而不是寻找更大、更密集的电池或更高效的电源转换器。

电池容量大约每十年才会翻上一倍,而集成电路(IC)甚至微机电系统 (MEMS) 传感器等设备在提升功能的同时几乎可以每隔一年就将功耗减半,这就证明钻研电源管理比仰赖电池进步更为理想。

何谓能量收集?

能量收集 (EH) 是从我们周围的环境中捕获和转换自由的环境能量。因此,它也被称为「能量清除」。我们可以收集物理提供给我们的每一种能量,包括:

·太阳能(热能、光伏或PV);

·动力学(电动、振动);

·热电、压电(机械感应);

·射频或射频(近场、远场);

·摩擦电(静电)。

任何换能器实际上都是潜在的 EH 源,但本文将重点介绍 EH 应用解决方案。

EH 模态往往根据其原生输出分为 acdc 的类别。最常见的 dc 类 EH 设备是 PV 和热电设备。最常见的 ac 类 EH 设备是压电、RF 和其他机械动态源,例如振动、涡轮和磁驱动电动换能器。这些能源都有自身的细微差异和挑战,因此要注意电源管理集成电路 (PMIC) 并非万能解药适用所有的 EH 源。

在过去的几十年中,EH 在技术以及实际应用方面有很大的进步。大约在十年前,尤其是在 IoT/IIoT 出现之前,人们对 EH 技术有一些常见的误解。第一个误解是 EH 对任何有用的应用产生的电源都可忽略不计。我们将暂时深入讨论这个问题,因为它与之前的源与负载的讨论非常接近。

另一个误解是 EH 只是一个学术实验,缺乏生产供应链和能够支持大量开发的生态系统。很多 PowerIoT 生态系统的组成部分(本讨论稍后会详述)早已存在多年甚至已有几十年,而且在它们出现之前就来自于工业(从新设立的初创公司到最大的半导体公司),直到现在才被广为人知或利用在生态系统之中。

一个成功的 EH 系统会需要 EH 换能器在能量存储(电池管理系统 [BMS])、电源管理集成电路 (PMIC) 和最佳负载(微控制器、内存、无线电、传感器、显示器等)提供许多技术支持。

可以说这些组件最基本的部分是 PMIC,因为它的本质就如 EH 系统的「大脑」,通过控制 EH 电源提取和电源管理,然后甚至将 BMS 集成一个简单的控制 IC(尺寸几乎都在10 x 10 mm以下)。

德州仪器 (Texas Instruments) 和凌力尔特 (LinearTechnologies)(现为亚德诺半导体 Analog Devices)等公司已将 EH PMIC 解决方案投放市场已有大约二十年,但当时还不到 IoT 能快速发展的时候。典型的 PMIC 流程图如下图 4 所示。您现在甚至可以找到现成的 IoT 模块。

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图 4-EH PMIC 功能流程图

对 EH 的最大误解是成本,这也是阻碍大众采用 EH 的关键因素。成本评估可能没有那么简单,因为任何类型的成本收益或总拥有成本 (TCO) 分析都高度依赖系统、应用和运作环境。

这样的复杂性而且是针对特定应用的分析是 EH 技术在许多案例中被认为在经济上不可行的主要因素。

一个常见的陷阱是只进行一阶分析来比较采用 EH 技术之前和之后的物料清单 (BOM) 成本。

乍看之下,替换纽扣电池的成本大约< 1 美元(大量),而 EH 成本要几美元。即使已将可持续性、更高的可靠性和自供电部署的好处纳入考虑,选择EH 解决方案似乎仍不太合理。但是我们必须考虑二阶(及更高阶的)成本影响才能进行适当的分析。

虽然详细讨论此类分析会超出本文的讨论范围,但一个简单的衡量标准是更换成本和维护成本。如果需要更换便宜的纽扣电池就需要人力,例如,上门服务或需要特殊设备才能抵达处在恶劣环境的地点,这意味着 BOM 所节省下来的成本优势将不复存在。

在资本支出和运营支出(CAPEX 和 OPEX)方面,使用 EH 技术而省下的额外成本,我们将在下一章节中进一步讨论。请各位持续关注!

审核编辑:汤梓红

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原文标题:应用解析 | 何谓能量收集?(一)

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