能量收集技術讓物聯(lián)網(wǎng)終端設備終身不換電池

在當前的新能源汽車上，動能回收是絕大多數(shù)車輛都可以設置的模式。在這個模式下，電動機轉換為發(fā)電機，將制動產(chǎn)生的能量回收，并將其儲存在高壓蓄電池中。電動汽車的動能回收屬于能量收集技術的一種。

能量收集技術

能量收集（Energy Harvesting）也稱能量采集，對于物聯(lián)網(wǎng)這種基數(shù)龐大的設備而言，其應用價值和發(fā)展前景更被看好，能夠大大增加電池的使用壽命，甚至打造出無電池設計的方案。因此，在物聯(lián)網(wǎng)領域，能量收集是新興應用的主要推動技術之一，是行業(yè)發(fā)展的未來。

和其他領域有明顯差異的是，物聯(lián)網(wǎng)領域的能量收集技術往往對方案體積要求更加嚴格。在具體的設計過程中，將MCU和專用能量收集IC結合在一起，然后輔以低功耗、高精度的電源管理IC實現(xiàn)完整的功能。貿(mào)澤電子作為電子元器件一站式采購平臺，能夠給大家提供可用于物聯(lián)網(wǎng)能量收集的豐富元器件選擇，幫助大家打造更具市場競爭力的創(chuàng)新方案。

能量收集的精準充電

目前，物聯(lián)網(wǎng)應用主要采用有線電源和電池供電，部署之后存在維護困難和壽命限制等問題，制約了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

根據(jù)市場調研機構Statista發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年全球聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量為113億，預計到2030年將達到294億臺。為了實現(xiàn)設備的高效維護，降低運營的成本壓力，并減少廢舊電池對環(huán)境的污染，會有越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設備采用能量收集解決方案。

如上所述，能量收集技術最終的愿景是，讓物聯(lián)網(wǎng)應用在無需布線、無需更換電池的情況下，即可實現(xiàn)其生命周期內的永久續(xù)航。

從能量類型來看，物聯(lián)網(wǎng)能量收集方案的能量來源主要是光能、射頻（RF）能量、溫差能量（TEG）和機械能等，電源管理IC將這些能量高效率轉換為穩(wěn)壓電壓，或為電池和超級電容器存儲元件充電，這便是能量收集技術的基本工作原理。

目前，能量收集方案在不斷的創(chuàng)新。如下圖所示，這是韓國科學技術研究所（KIST）研究人員打造的熱電發(fā)電機，通過使用一種附著在由銀納米線制成的彈性基底上的無機材料，解決了傳統(tǒng)熱電發(fā)電機剛性的問題，能夠和人體皮膚有很好的貼合，將人體熱量利用起來，更有利于打造無需電池的可穿戴設備。

圖1：人體熱量熱電發(fā)電機概念圖

（圖源：韓國科學技術研究所）

圖2：人體熱量熱電發(fā)電機原理圖

（圖源：韓國科學技術研究所）

在不斷創(chuàng)新的推動下，目前能量收集技術在物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器、工業(yè)設備、樓宇自動化、智能電網(wǎng)、農(nóng)業(yè)、可穿戴設備等眾多領域已經(jīng)展開應用。不過，由于能量收集技術是從自然環(huán)境中獲取能量，導致能量收集存在發(fā)電效率低、不穩(wěn)定等問題。因此，目前能量收集技術大都還是和電池系統(tǒng)搭配使用。

對于像光能這種已經(jīng)發(fā)展相對成熟的應用，能量收集技術主要搭配二次電池一起使用，系統(tǒng)的典型結構是收集、調節(jié)和儲存三部分。如下圖所示，這是一種雙源能量收集的電路框圖，能量收集器從能量源捕獲能量并輸出電能，接下來通過電源管理IC調節(jié)輸入電壓以適應負載要求，最后這些能量都被儲存在二次電池中。

圖3：雙源能量收集電路示意圖

（圖源：國家知識產(chǎn)權局）

在這個典型結構中，中間的電源管理IC起到了承上啟下的作用，將能量收集器與儲能電池連接起來。與此同時，電源管理IC的性能好壞，也決定了這套系統(tǒng)能量轉換、收集效率的高低。

在此，我們?yōu)榇蠹彝扑]來自制造商Analog Devices (ADI)的MAX17703鋰離子電池充電器控制器，這款器件在貿(mào)澤電子上的料號為MAX17703ATG+。

MAX17703是一款高效、高壓、同步、降壓、Himalaya鋰離子電池充電器控制器，設計用于在4.5V至60V輸入電壓范圍內工作。

圖4：MAX17703鋰離子電池充電器控制器

（圖源：貿(mào)澤電子）

MAX17703為鋰離子電池提供完整的充電解決方案，能夠適配鋰聚合物、LiFePO4和鋰鈦酸電池等二次電池，并提供出色的調節(jié)、監(jiān)視精度。該器件分別提供±4%和±1%的精確CCCV充電電流/電壓，充電電流監(jiān)視精確度（ISMON）為±6%，能夠以恒定電流（CC）和恒定電壓（CV）狀態(tài)為電池充電，并在錐形定時器結束后在充滿電狀態(tài)下端接。

圖5：MAX17703鋰離子電池充電周期

（圖源：ADI）

需要特別指出的是，MAX17703是一款開關電池充電器控制器，相較于脈沖式和線性式，具有更出色的恒流和恒壓性能，并且不需要外部器件的幫助就能夠起到調節(jié)作用，因此能夠和光能等能量源更好地配合。就以光能為例，目前很多物聯(lián)網(wǎng)應用采用小型光伏系統(tǒng)供電，不過光伏電池輸出功率隨光照強度的增加而增加，隨環(huán)境溫度的升高而降低，實時調節(jié)工作電壓使其工作在最大功率點附近，能夠有效提升能量收集的效率。

如下面的簡化原理框圖所示，MAX17703通過外部N-MOSFET提供輸入電源側短路保護，可防止輸入意外短路時電池放電。

圖6：MAX17703應用電路框圖

（圖源：ADI）

此外，MAX17703提供的保護功能還包括安全定時器特性（TMR）、深度放電電池檢測和預處理（DDTH）、逐周期過流限制、可編程EN/UVLO閾值和過溫保護等。這些出色的保護功能讓MAX17703能夠被應用于嚴苛的環(huán)境中。

除了應用于工業(yè)電池充電和能量存儲，MAX17703還能夠被應用于電動工具和手持式終端、電池備份、照明、安全攝像頭和控制面、便攜式工業(yè)和醫(yī)療設備，以及樓宇和家居自動化備用電源等應用中。

能量收集的高效管理

物聯(lián)網(wǎng)能量收集的另一種主流搭配方式是能量收集+一次電池，這樣做的目的是盡可能延長物聯(lián)網(wǎng)應用中一次電池的使用壽命，降低更換電池的頻次。

回到上面的論點，目前大部分通過能量收集而來的能量量級還很小且不穩(wěn)定，采用一次電池作為備份能量，可以在需要的時候保證系統(tǒng)運行，較為常見的案例有無線傳感器節(jié)點、可穿戴設備、狀態(tài)檢測設備、資產(chǎn)跟蹤設備等。不過，和傳統(tǒng)一次電池供電的物聯(lián)網(wǎng)應用不同，這些方案中的一次電池主要起到備用電池的作用，因此需要更精細化的管理和使用。

在此，我們?yōu)榇蠹彝扑]來自制造商ADI的LTC3337一次電池健康狀況監(jiān)視器，貿(mào)澤電子上這款器件的料號為LTC3337ERC#TRMPBF。

圖7：LTC3337一次電池健康狀況監(jiān)視器

（圖源：貿(mào)澤電子）

LTC3337是一款具有內置精密庫侖計數(shù)器的原電池健康狀態(tài)(SOH)監(jiān)視器，可提供電池放電、電壓、阻抗和溫度的精確實時讀數(shù)。無限動態(tài)范圍庫侖計數(shù)器是ADI獲得專利的創(chuàng)新設計，記錄所有累積的電池放電，并將其存儲在可通過I2C接口訪問的內部寄存器中?；诖顺潆姞顟B(tài)(SOC)的放電警報閾值可通過編程設置。當達到閾值時，IRQ引腳產(chǎn)生中斷。庫侖計數(shù)器的精度低至空載也保持恒定。LTC3337設計用于與一次電池串聯(lián)，相關串聯(lián)電壓降極小。

圖8：LTC3337系統(tǒng)框圖

（圖源：ADI）

LTC3337的引腳功能能夠帶來更加靈活的設計選擇。比如，為了能夠適用于各種一次電池輸入，開發(fā)人員可以通過LTC3337器件引腳在5mA至100mA之間選擇峰值輸入限流值；可針對BAT_IN或BAT_OUT引腳進行庫侖計算，具體取決于AVCC引腳連接；為輸出端使用兩個超級電容器（可選）堆棧的應用，提供BAL引腳。

圖9：LTC3337典型應用電路

（圖源：ADI）

通過下圖能夠看到，LTC3337內部集成的庫侖計數(shù)器具有非常高的精密性。

圖10：庫侖計數(shù)器誤差表現(xiàn)

（圖源：ADI）

LTC3337可用于與能量收集技術搭配的低功耗一次電池供電系統(tǒng)，也可用于遠程工業(yè)傳感器（例如儀表和警報）、資產(chǎn)跟蹤器、電子門鎖、保持有效電源和電池設備和SmartMesh? 等應用中。

為什么說能量收集是物聯(lián)網(wǎng)的未來？

物聯(lián)網(wǎng)能量收集系統(tǒng)和低功耗物聯(lián)網(wǎng)應用方案是強相關的。過往為了延長設備壽命并降低更換電池的頻次，一些物聯(lián)網(wǎng)設備往往都會限制帶寬和數(shù)據(jù)上傳次數(shù)，其余時間大多被迫處于休眠或者低功耗模式。不過，隨著能量收集技術逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)設備可以根據(jù)環(huán)境的變化靈活使用電能，在保障壽命和低運營成本的情況下，進一步豐富了物聯(lián)網(wǎng)方案的功能性。

根據(jù)IDTechEx研究，能量收集市場規(guī)模將從2017年的4億美元增長到2024年的26億美元。在物聯(lián)網(wǎng)方案持續(xù)關注低功耗的趨勢下，加之能量收集的能量源和技術逐漸豐富和成熟，會有越來越多的物聯(lián)網(wǎng)應用受益于“低功耗+能量收集”這套技術組合。

正如上述所講的，在能量收集系統(tǒng)中，電源管理IC起到了至關重要的作用，是系統(tǒng)的核心之一，而提供出色電源管理IC產(chǎn)品正是貿(mào)澤電子能夠賦能物聯(lián)網(wǎng)能量收集技術更好發(fā)展的價值所在。