對能量采集系統中電源管理的一些看法

能量收集的概念已經出現超過 10 年了，然而在現實環境中，由環境能源供電的系統一直很笨重、復雜和昂貴。不過，有些市場已經成功地采用了能量收集方法，如交通運輸基礎設施、無線醫療設備、輪胎壓力檢測和樓宇自動化市場。尤其是在樓宇自動化系統中，諸如占位傳感器、自動調溫器甚至光控開關等，以前安裝時通常使用的電源或控制配線，現在已經不需要了，取而代之的是，它們采用了局部能量收集系統。

能量收集系統的一個主要應用是樓宇自動化系統中的無線傳感器。為方便說明，我們考慮一下美國能源使用的分布情況。建筑物每年都是能源生產的頭號用戶，約占總能耗的 38%，緊隨其后的是交通運輸和工業領域，各占總能耗的 28%。此外，建筑物可以進一步分成商用建筑和民用建筑，在這 38% 的能耗中，分別分得 17% 和 21%。而民用建筑 21% 的能耗數字還可以進一步劃分，其中取暖、通風和空調 （HVAC） 約占民用建筑總能耗的 3/4。目前預計，從 2003 年到 2030 年，能源使用量將翻一番，依此推算，采用樓宇自動化系統可以節省多達 30% 的能源 ［數據來源：“World Energy， Technology and Climate policy outlook （WETO）”，由歐盟多個研究機構聯合撰寫］。

類似地，一個采用能量收集方法的無線網絡可以將一幢大樓中任何數量的傳感器連接起來，以在非主要區域的大樓或房間中沒人時，調節該區域的溫度或關掉該區域的照明燈，從而降低 HVAC 和電力費用。此外，能量收集電子線路的成本常常低于布設電源線的成本或更換電池所需的日常維護成本，因此用收集的能量供電之方法，顯然有經濟收益。

不過，如果每個節點都需要自己的外部電源，那么很多無線傳感器網絡就失去了優勢。盡管電源管理技術確實在持續發展，已經使電子電路能在給定電源情況下工作更長時間，但這是有限度的，而用收集的能量供電提供了一種補充方法。因此，能量收集通過將局部環境能源轉換成可用的電能，成為一種給無線傳感器節點供電的方法。環境能源包括光、溫差、振動波束、已發送 RF 信號或能通過換能器產生電荷的任何能源。這些能源在我們周圍到處都是，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發生器 （TEG）、面向振動的壓電組件、面向太陽光 （或室內照明光） 的光伏電池等，可將這些能源轉換成電能，甚至可以利用潮濕氣體產生的電能。這些所謂的“免費”能源可用來自主地給電子組件和系統供電。

現在所有無線傳感器節點都能以微瓦級平均功率工作，因此用非傳統電源給它們供電是可行的。這導致了能量收集的出現，在使用電池不方便、不現實、昂貴或危險的系統中，可用能量收集提供的電力給電池充電、補充或代替電池。用收集的能量供電，還可以不再需要導線來供電或傳送數據。此外，工業過程、太陽能電池板或內燃機產生的能量也可以收集起來使用，否則就浪費掉了。

能量收集應用的問題和特性

一個典型的能量收集配置或無線傳感器節點 （WSN） 由 4 個方框組成 （參見圖 1）。它們是：1） 環境能源；2） 換能器組件和給下游電子組件供電的電源轉換電路；3） 將該節點連接到現實世界的檢測組件和計算組件 （由微處理器或微控制器組成，處理測量數據并將數據儲存到存儲器中）；4） 由短程無線單元組成的通信組件，實現與相鄰節點及外部世界的無線通信。

環境能源的例子包括：連接到 HVAC 管道等發熱源的熱電發生器 （TEG） 或熱電堆；或者連接到諸如窗玻璃等機械振動源的壓電換能器。在熱源情況下，一個緊湊型熱電器件 （常稱為換能器） 可將小的溫差轉換成電能。而在存在機械振動或壓力的情況下，壓電器件可用來將機械能轉換成電能。

一旦電能產生出來，就可以由能量收集電路轉換并調整為合適的形式，以給下游電子組件供電。因此，一個微處理器可以喚醒一個傳感器，以獲取讀數或測量值，然后讀數或測量值可由一個模數轉換器進行處理，以通過一個超低功率無線收發器傳送。

圖 1：一個典型的能量收集系統或無線傳感器節點的主要組成方框圖

FREE ENERGY SOURCE：免費能源

ENERGY HARVESTER/MANAGER：能量收集器 / 管理器

SENSORS， A/D， uCONTROLLER：傳感器、A/D、微控制器

WIRELESS TRANSMITTER/RECEIVER：無線發送器 / 接收器

有幾種因素影響無線傳感器節點能量收集系統的功耗特性。表 1 概述了這些因素。

表 1：影響無線傳感器節點功耗的因素

當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態的時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會遇到低的、可變的和不可預測的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結構。收集器由于其無限的能量供應和功率不足而成為系統能源。輔助電能儲存器 （一個電池或一個電容器） 可產生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集功率的環境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN 供電。當然，從系統設計人員的角度而言這將導致復雜程度的進一步增加，因為他們現在必須考慮這樣一個問題“為了對缺乏環境能量源的情況下提供補償，應在輔助儲存器中存儲多少能量？”究竟需要儲存多少能量將取決于諸多因素，包括：

1. 缺乏環境能量源的時間長度

2. WSN 的占空比 （即數據讀取和傳輸操作必須具備的頻率）

3. 輔助儲存器 （電容器、超級電容器或電池） 的大小和類型

4. 是否可提供既能充當主能量源、同時又擁有充分剩余能量 （用于當其在某些特定時段內不可用時為輔助電能儲存器充電） 的足夠環境能量？

最先進和現成有售的能量收集技術 （例如振動能量收集和室內光伏技術） 在典型工作條件下產生毫瓦量級的功率。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工作可以說明，無論就能量供應還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統一般能在電能耗盡后再充電，而這一點主電池供電的系統是做不到的。

正如已經討論的那樣，環境能源包括光、溫差、振動波束、已發送的 RF 信號，或者其他任何能通過換能器產生電荷的能源。下面的表 2 說明了從不同能源可產生多少能量。

表 2：能源以及它們可產生多少能量

要成功設計一款完全獨立的無線傳感器系統，需要現成的節電型微控制器和換能器，并要求這些器件消耗最小和來自低能量環境的電能。幸運的是，低成本和低功率傳感器及微控制器已經上市兩三年左右了，不過只是在最近，超低功率收發器才投入商用。然而，在這一系列環節中，處于落后的一直是能量收集器?，F有的能量收集器模塊實現方案 （如圖 1 所示） 往往采用低性能和復雜的分立型結構，通常包括 30 個或更多的組件。此類設計轉換效率低，靜態電流高。這兩個不足之處均導致最終系統的性能受損。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數至傳輸該數據的時間間隔。高靜態電流則對能量收集源的輸出能達到的最低值有所限制，因為它必須首先提供自己工作所需的電流，多出來的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個領域，凌力爾特公司最近推出的產品 LTC3109、LTC3588-1 和 LTC3105 使性能和簡單性上提升到一個新水平。

這些能量收集 IC 所帶來的新性能水平是采用分立式方案完全無法實現的。因此，它們由于能夠收集非常低的環境能量而成為了推動能量收集系統制造商成長的“催化劑”。憑借這種性能水平，再加上換能器、微控制器、傳感器和收發器經濟合算的價位，使其市場接受度得以提升。這也是此類系統在全球范圍的眾多應用中受到大量關注的原因之一。