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能量收集的限制

为什么终端设备中无限权力的承诺只取得了差异的成功。

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能源收获,一旦考虑了低功耗设计的廉价替代品,而且在移动设备中实现了几乎无限的电源,已经稳定到更适中的期望。

这种方法产生能量通过各种方式 - 从太阳能到运动到环境射频,甚至是土壤和树木之间的pH差异 - 已被证明工作。问题是,对于大多数应用程序来说,它不会足够快地产生足够的能量。而且最喜欢模拟电路,它不会缩小。能量收集模块往往是庞大的,添加区域和设计成本。


图1:热能收集装置。来源:三角洲

“如果你没有燃烧很多能量,则没有必要能源收获,”销售和营销高级副总裁GertJørgensen三角洲AsiC划分。“如果你确实燃烧了很多能量,那么能量收获将无法工作。在我们看到这项工作的地方,在10毫瓦到100米瓦瓦特范围内,但电池仍然更便宜20倍。能量收获技术很大。您拥有收获元件,电源管理和存储。如果将其与电池进行比较,电池较小。“

当第一个智能手表于2014年达到市场时,大多数这些设备都基于28nm或40nm的逻辑。消费者抱怨说,其中一些手表在需要充电之前持续超过一天。先进的能源管理能力可以内置于这些设备中 -动态电压频率缩放,多电压轨,深硅。但如果这些手表经常连接并用于加工密集型应用,如实时健康监测,则这些手表都没有足以使电池持续超过一天。

当时的想法是利用运动或环境RF信号来产生能量,类似于自缠绕手表工作的方式。到目前为止,没有否定。

“通过砷化镓和氮化镓的电磁辐射和异国情调方法的电压产生,CTO办公室副总裁兼首席战略家Vickulkarni表示ansys.。“在你可以使电子跳跃的金色中看着杂质有实验,并且有新材料是产生能量的轻质复合材料。但现在,这只是以商业非常小的方式发生。“

这似乎是一般的共识,禁止材料工程的重大突破。

“从根本上,能源收集是一种具有有限使用信封的技术,”产品营销经理Jeff Miller说:导师,西门子的业务。“它必须是一个优势传感器。无论是热,机械还是太阳能,都需要成为能源的源泉。它必须消耗更多的功率,而不是电池提供。电池是可靠的选择,电池可以持续很长时间。如果你想到车辆轮胎压力监测器,那是一个更换电池的艰难地点,但你仍然可以获得10年的电池寿命。“

能量收集选择
今天最成功的能量收获量落入两个营地 - 太阳能和运动驱动。太阳能使用光伏电池将光线转换为电力,但今天的光伏电池的效率仍处于低至20%的范围。此外,太阳能占用了大量空间,智能手机或电动车等能源密集型应用程序使用太多的能量来使太阳能成为可行的选择。但小规模的光伏仍在计算器,手表和小型设备中起着重要作用。

“太阳能仍然是能源收获的最终,”三角洲的Jørgensen说。“它是成熟的,它产生直流,它会产生合理的能量。”

运动驱动的能量收集是今天使用的第二种主要方法,并且是一个难以在芯片或小型设备内部部署的难题。

“由于空间,片上很难,”Idtechex董事长Peter Harrop说。“如果您正在使用梳状,电容器的结构或振动收获,则不会快速进入任何地方。您倾向于通过压电测电标识出错了振动。你可以收获的振动非常狭窄,它立即下降。它与声频相同。您往往不符合您需要的频率。除了自动传感器之外,这非常有限。所以在芯片上,它看起来不太好。在使用内部芯片的情况下物联网节点,每年销售数十亿互联网传感器的梦想并没有发生。这是数百万,而不是数十亿。And if you’re going to put one on every tree in California to spot which way the wind is blowing to make sure you’re not downwind of a fire, you can’t change the batteries so you have to have energy harvesting that works, but that is not a solved problem.”

在能量收获真正闪耀的情况下,在更大的尺度太阳能,风和波动运动上。在芯片或小型设备级别,使用该技术更有限。即将到来的新技术包括压电,热电,光伏,摩擦电解和介电弹性体,其中大部分是在佐治亚理工学院等研究中心的纳米生物研究中开发了两十年的研究。

压电动力源可以内置于诊断皮肤贴片和植入物中用于医疗器械,作为涂料作为涂料,作为电源插入LED,作为集成电路中的图层添加到电源中MEMS.筹码。它们还可以发挥双重作用,供电和提供处理来调制光线,以提高光电池和LED的性能,或者与高带宽数据中心数据访问应用的光子集成。

压电电源更为人知,但格鲁吉亚科技研究人员与摩擦能源纳米液(Tengs)有更多的成功,它使用摩擦和静电诱导来产生小但可用的电力爆发。结果是一种能够在1.044MW使用车载电池存储和能够在高达300°Celsius工作的收集过程中提供稳定的DC电力流量,使用高达60%的高效和使用根据2015年的2015纸在自然通信的纸张上,以及2018年纸张中的2018张纸张,该纸张来自电子,而不是离子。

Tengs提供一系列功率水平,通常以低于电池的成本或收获能量的替代方法。它还使用非毒性材料制造,设计简单,应使大规模制造简单。

根据Linley Group分析师Mike Demler的说法,能量收集技术也适用于可用于容易更容易更换电池的地方的小型传感器和IOT设备。

但是,在普通锂离子硬币电池上运行的设备的一致性,成本和寿命 - 以及芯片制造商创造和精炼的节能设计,几十年来留下了大多数传统半导体市场,没有良好的功能或经济原因试图开关,解除者说。他说,虽然可以改变具有专业要求的可穿戴设备和医疗设备,但到目前为止还有很少的主流需求。

即使在没有从周围的环境中收回电力的能力没有受益的设备中,对于更具精细的电源管理,越来越需要,更重要的是,控制它导致的电磁干扰。

例如,在欧洲和亚洲销售的移动电话必须具有支持多达30个不同载波的不同频率配置的RF电路,这是相同层压板的所有部分,但通常在不同的层中。它还需要滤波器和放大器来最大限度地提高增益,并最大限度地减少在Ansys产品管理主任的Larry Williams的设计中快速变为“Mind-Bogglingly Complex”的设计中的EM干扰。“阻抗影响电路的行为,但您不能只使用一切的行为模拟,因为驱动器负载根据设备而异。随着温度的变化,它们会发生变化。因此,您必须注意IC模具连接到SOC或电路板以及它们如何对变化的温度作出反应。“

电源足以足够可靠,需要电力收获的需要相对少见,但缺乏对电力架构的关注,即使在数字和签收组的产品管理总监Jerry Zhao的情况下,即使在低功耗IOT设备中也可以破坏。韵律

“设计混合模拟/数字信号的方法是至关重要的,”赵说。“有些设备主要处理模拟世界 - 收获模拟信号,并将它们转换为数字化是设计方面的挑战。这总是一个挑战。模拟总是硅的大块,模型必须确保模拟侧将理解电源。流程至关重要。“

然而,它不仅仅是低功耗的物联网设备,可以使微调电源管理成为困难的。

“挑战是芯片越来越大,随着越来越多的设备,电源较低,”赵说。“现在你有0.6或0.8伏的单一模具驱动数十亿个设备 - 在单个模具上有几十个电源域,而不仅仅是一两个。模拟电源域,内存电源域,可以打开和关闭的内存电源域,以更高效的某些活动。唤醒过程需要时间并排出大量电流,有时电流如此之高,它会破坏电网。这是需要在我们的力量水平进行分析的内容。因此,我们并不是如何在环境中收集来自波浪或风或其他来源的力量。我们专注于微观水平,以确保您在不浪费电量的情况下获得所有这些设备所需的性能。“

结论
能量收集将在芯片和小型设备水平上继续在许多前面演变,但是否将其被认为是可靠的,并且足够便宜,以便竞争电池技术的改进仍有待观察。然而,在小规模上开发的一些想法可以应用于更广泛的规模。

这仍然是一个新的研究,但有趣的区域。但是,达到商业成功,何时在五年前的谜团。

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4评论

真正的 说:

对于电动车辆来说,太阳能不可行,但人们倾向于试图解决错误的问题。您无需为电池充满充电或甚至覆盖车辆的整个能量需求。
在美国人民每天开车33英里,欧洲有一半。
乘坐10m3占地面积,太阳能电池,效率为20%,20%容量系数(如屋顶太阳能),每天9.6kWh或30-40英里为轿车。在实践中,如果汽车的整个身体将被细胞覆盖,容量要素也会很低,但也显着升高。

诀窍是创造看起来很好的太阳能面板,便宜,轻巧等。太阳能不一定是额外的成本VS普通车身面板。
And again, it doesn’t have to fully cover the vehicle’s daily needs, doesn’t have to meet every customer’s needs, it just has to provide sufficient value to justify the extra costs, if any – depends on how the solar body panels compare to normal body panels, especially in weight.

用手机,取决于你的看法。当您没有办法时,太阳能可能很有用,它不必是日常使用,它可能是关于从网格上完成的选择情况。

如果与数据集成,RF收集/电源交付很有趣。并且可以是电力交付,而不仅仅是收获,这是一个短距离的大资产。诀窍是使其成为一种免费午餐,假设设备具有用于数据的无线电。

说:

我想知道一段时间所有能量收集嗡嗡声的情况。2006年回来我收到了我工作的公司的主管工程的电子邮件。他声称他在“5英里/小时的湍流中能够从5英里/小时的湍流提供100W / SQFT的新类压电材料”和“电池制造商正在使用这项技术,为剃刀手机开发电池,从而充电携带它的所有者的振动。“我快速计算,只有大约600兆瓦的动能,在1平方米的5英里/小时的微风中可用。如果我们周围有很多自由能,我们将被它殴打。大多数能量收集炒作是由寻求研究资金的人产生的。

詹姆士 说:

我已经调查了多次的能量收获,并同意Ed和Kevin,它既昂贵和笨重。电池易于使用和经济高效,因此往往没有足够的动力来切换。此外,越来越多的低功耗IC即可延长您的电池寿命,并且通过使用自动传感器和事件驱动处理,您可以大大尽量减少功率损耗。甚至有IC就像UB20M完全关闭电源,直到自动传感器激活它,允许设备持续数十年。

安娜 说:

这项技术正在迅速发展。有些解决方案既快速和小便,例如E-PEAS'AEMS(e-peas.com)。事实上,通过从设备中取出电池并用能量收集解决方案替换电池,可以使设备变小。

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