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揭秘微能量采集(EH)技术 打破认知误区

08/05 09:01
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微能量采集(EH)技术,指的是从周边环境中捕捉并转换可利用的环境能量。自然界中存在的各类物理能量,都能成为其收集对象,具体包括:

-太阳能(涵盖热能、光伏,即 PV);

-动能(包含电动、振动形式);

-热电、压电(属于机械感应类);

-射频(有近场、远场之分);

-摩擦电(静电形式)。

过去几十年间,微能量采集(EH)技术在技术研发与实际应用方面均取得了显著进展。大约十年前,特别是在物联网(IoT)和工业物联网(IIoT)尚未兴起之时,人们对该技术存在一些常见的认知偏差。
其中一个偏差是,认为微能量采集(EH)技术仅仅是一项学术层面的实验,缺乏完整的生产供应链,也没有能支撑大规模开发的生态系统。
但实际上,许多 PowerIoT 生态系统的组成部分早已存在多年,甚至长达数十年。这些组件在出现之前就源自工业领域,涉及范围从新兴的初创公司到大型半导体企业,只是直到如今才被广泛知晓并应用于生态系统当中。
一个高效运行的微能量采集(EH)系统,需要配备能量收集换能器、能量存储系统电源管理集成电路(PMIC)以及负载系统(如微控制单元 MCU无线电传感器等)。在这些组件中,PMIC 堪称最核心的部分,它就像能量收集系统的 “大脑”,负责调控微能量采集电源的提取与管理,甚至能将电池管理系统(BMS)集成到一个简易的控制集成电路里。
德州仪器(Texas Instruments)和亚德诺半导体(Analog Devices)等企业,大约二十年前就已将能量收集 PMIC 解决方案推向市场。目前,国内的米德方格也推出了微能量管理 PMIC MF9006,该产品集成了冷启动模块、最大功率点跟踪(MPPT)模块、升压及稳压功能,能在低至 400mV 的电压下实现冷启动,启动后可从太阳能电池板提取直流电,为存储元件(连接至 SECBAT 的电池或超级电容器)充电。
另一个对微能量采集(EH)技术的主要误解体现在成本方面,这也是阻碍其普及应用的关键因素。成本评估并非易事,因为任何形式的成本收益或总拥有成本(TCO)分析,都与系统本身、应用场景以及运行环境密切相关。这种分析的复杂性以及针对性,使得微能量采集(EH)技术在不少案例中被认为在经济上不具备可行性。
一种常见的错误做法是,仅通过一阶分析来对比采用能量收集技术前后的物料清单(BOM)成本。表面看来,大量采购时替换纽扣电池的成本约低于 1 美元,而能量收集方案的成本则需要几美元(目前国内的 MF9006 已能将成本控制在 1-2 美元左右)。即便将可持续性、更高的可靠性以及自供电部署的优势纳入考量,选择能量收集解决方案似乎仍不划算。
然而,要进行合理的分析,就必须考虑二阶乃至更高阶的成本影响。一个直观的衡量标准是更换成本与维护成本。如果更换廉价的纽扣电池需要耗费人力,例如上门服务,或者需要特殊设备才能到达处于恶劣环境的地点,那么物料清单所节省的成本优势便会消失殆尽。

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