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使用能量收集技术为嵌入式系统供电已成为减少电池浪费并使物联网设备更具可持续性的解决方案。人们对能量收集的普遍认识和采用情况如何？嵌入式开发人员有哪些建议来提高电池寿命，甚至采取有点可怕的步骤来实现无电池？我们请教了 e-peas、Nexperia 和 Trameto 的专家。
IoT Analytics 于 2023 年 5 月发布的最新研究报告显示，连接的物联网设备数量在 2022 年增长了 18%。今年预计将进一步增长 16%，使全球活跃端点总数达到 177 亿个。许多物联网设备都是由电池供电的，这一事实引起了人们对物联网可持续性的担忧，并促使欧盟资助一项研究，鼓励开发人员确保电池比其供电的设备寿命更长。
2021 年 7 月发布的 EnABLES 项目报告警告称，如果不提高物联网设备的使用寿命，到 2025 年，全球每天将有 7800 万块为物联网设备供电的电池被丢弃。该报告强调能量收集、能量存储和微功耗管理对于解决“为物联网供电挑战”至关重要。它强调需要延长电池寿命，并且在许多情况下允许物联网设备无限期供电。
能量收集为产品增添了高价值主张
尽管能量收集的概念和潜在好处已经存在了几十年，但将这些技术纳入嵌入式物联网设备规范似乎远不是优先考虑的事情。Nexperia Delft 团队（荷兰代尔夫特）总经理兼 Nowi（最近被 Nexperia 收购）创始人 Simon van der Jagt 在评论嵌入式开发人员对物联网设备能量收集概念的了解程度时表示：“总体水平关于能量收集及其使用方法的知识非常少。大多数人在概念上对它的理解相对简单，但具体的具体细节却非常有限。如果您是一名嵌入式开发人员，那么现在就阅读它是有意义的，因为它将在未来几年中成为设计的重要组成部分。”
e-peas（比利时新鲁汶）首席执行官 Geoffroy Gosset 观察到近年来人们的态度发生了变化：“过去，人们最后才考虑能量收集，但在过去 12 个月里，我们已经看到了转变，我们看到人们从头开始发展。我们不再需要说服人们使用能量收集，所以现在更多的是支持他们这样做。
“人们现在明白，能量收集为产品带来了高价值主张，因为它使产品重量更轻、更可靠、更薄且外形更小，”他补充道。
关于数据的一切
Trameto 首席技术官 Laurence Strong
Trameto首席技术官 Laurence Strong
Trameto（威尔士切普斯托）的首席技术官劳伦斯·斯特朗（Laurence Strong）引用了 PSMA白皮书中的一个有用图表，该图表将能量收集解释为一个多因素问题，强调了可用的能源、运行占空比、存储能力和设备的外形尺寸。他认为，实施能量收集是每个客户都需要继续进行的教育之路。
“每个应用程序都是独一无二的；没有一个物联网杀手级应用程序，”斯特朗说。“我们将应用程序视为某种传感器，因此一切都与数据有关。整个挑战的存在是因为有人想要获取一些数据，因此首先建立功率预算非常重要。我们的任务不是增加开发过程的复杂性，而是简化它。”
实施能量收集面临许多挑战，范德贾特指出了需要考虑的许多因素和选择：“我们一开始总是被问到的问题是我可以获得多少能量，经典的工程学答案始终是”这取决于情况，”而且这确实取决于情况。这可能很棘手，因为它对于应用程序来说是高度特定的，并且有很多决策和选择，所以这些是我们必须帮助客户的事情。我们有责任简化任务。”
van der Jagt 补充说，他们希望通过向客户提供见解和支持材料来避免客户重新发明轮子。“我认为第一点是从收获中获得良好的感觉。如果我一天内收集的能量多于设备消耗的能量，那么这个事件就是不再需要更换电池的转折点。”
能量收集生态系统技术日趋成熟
e-Peas 首席执行官 Geoffroy Gosset
e-Peas首席执行官 Geoffroy Gosset
任何能量收集实施都需要一个或多个收集器，例如光伏电池、电池或超级电容器等储能设备以及能量收集器电源管理 IC (EH PMIC)。随着能量收集不断发展，效率和性能参数受益于技术进步。
“生态系统的各个方面都在进化，”戈塞特说。“人们正在寻找合适的能量采集器，以最低的成本产生最多的能量。存储元件也是如此。几年前，大多数人会考虑电池，但今天，出现了新的能源存储方法，例如超级电容器和混合超级电容器，而这些方法当时还不存在。”
劳伦斯还指出了收割机技术的进步：“我们确实看到了光伏技术的创新和变化。由于室内和室外光的能量捕获存在差异，因此在传统硅基基板之外的新材料方面出现了创新。热领域的创新较少，但目前正处于开发阶段，使用新的无毒材料的新技术。”
变得有权力认知
我们所有专家都强调能量收集的一个方面是开发人员需要更加了解其设备消耗的功率以及收集条件的动态范围。能量收集思维还需要考虑能量存储方法的充电特性。
“几年前，人们会尝试将电池充电到最高电压，这绝对不是一个好的选择，”戈塞特说。“现在，市场上出现了新技术，它们允许更多的充电和放电循环，可以在更高的温度下运行，并且在生命周期和能量密度之间具有良好的权衡。以前，当我们询问客户设备的能耗时，答案总是关于峰值电流。如今，人们更好地理解了测量峰值电流和平均电流的必要性。一些客户现在谈论的是焦耳，而不是瓦特或微瓦，这表明他们了解平衡一天、一周和一个月的能源消耗的概念。几年前绝对不是这样的。”
Trameto 的强项指出了许多应用的高度动态特性：“需要在从零到最大功率吞吐量的各种条件下运行。了解冷启动电压后，开始采集所需的输入电压也至关重要。在过去的几年中，我们看到市场上出现了更多的工具来帮助团队对其设备进行能量分析，直至非常低的功率。能够精确测量微瓦级的功率并随着时间的推移进行分析非常重要，而且它变得越来越精确。”
“有一个关于权力认知的首要主题，我认为有趣的事情之一是权力变得更加间歇性，”范德贾特说。“与其说我有一个设备并且它会消耗电量，不如说它有电流峰值，进入睡眠模式和深度睡眠模式，然后它可以很快醒来。它更加动态，并且通过能量收集，某一时刻我有很大的功率，然后我有一点功率，并且 [EH PMIC] 芯片必须适应这些不同的输入并确保我获得正确的输出在正确的时间。一方面它让它变得更有趣，但也是嵌入式工程师需要真正解决的一个重要主题，因为它是产品性能的决定因素之一。”
推动能量收集采用的关键原材料和电池立法
本文开头提到的 EnABLES 报告记录了物联网电池挑战的范围，但产品制造商需要遵守立法。然而，人们越来越关注管理关键原材料废物，并强调电池设计、生产和废物处理。欧盟关键原材料法案提案强调了安全和可持续供应关键原材料的必要性。
“该法案确定的原材料中有五种用于电子产品，其中两种对于能量收集非常关键，因此这些元素非常珍贵，我们必须充分利用它们，”戈塞特说。“此外，由于公司现在必须发布社会和可持续发展报告，他们必须表明他们正在为地球做好事。生命周期评估和 CO 2当量计算也有助于显示更好的能量收集结果。”
今年6月中旬，欧盟就在欧盟销售的各类电池的设计、生产和废物管理达成了新规则。目前正在等待最终批准和发布，该规则涵盖所有电池，从消费电子产品中使用的小型电池到容量超过 2 kWh 的大型工业电池。这些规则设定了收集便携式电池的目标、原材料回收的最低水平以及新电池中使用的回收成分的最低水平。
能量收集使嵌入式开发人员能够使他们的设计更加可持续和紧凑。延长电池寿命或使其无电池将增强产品的吸引力并显着降低生命周期成本。消费者和商业组织越来越关注电子垃圾，新的政府立法进一步提高了人们对环境挑战以及我们必须采取行动的认识。
本文相关的知识问答：
1. 什么是能量收集技术，如何帮助嵌入式开发人员设计更可持续的产品？
能量收集技术是指通过从环境中捕获能量（如太阳能、机械运动或热能）并将其转换为电能的方法。对于嵌入式开发人员来说，利用这些技术可以在产品中实现更可持续的能源来源，延长电池寿命或甚至实现无电池设计。通过使用能量收集，开发人员可以减少对一次性电池的依赖，从而降低产品的生命周期成本，同时减少对环境的负面影响。
2. 能量收集对产品设计的哪些方面产生积极影响？
能量收集技术对产品设计有多方面的积极影响。它可以延长电池寿命，减少对可充电电池的依赖，从而降低电池更换频率和成本。能量收集技术使得产品在某些情况下可以摆脱电池，采用无电池设计，减少了电池对产品尺寸和重量的限制，使产品更加紧凑和便携。能量收集还可以减少对一次性电池的使用，降低了电子垃圾的产生，符合消费者和政府对环保的日益关注。
3. 能量收集技术有哪些主要应用场景？
能量收集技术的主要应用场景包括但不限于可穿戴设备、智能家居、传感器网络和物联网设备等。在这些场景下，产品通常需要长时间运行而不依赖于频繁更换电池，因此能量收集技术可以为它们提供持续的能源来源。例如，智能手表可以利用太阳能或身体运动来收集能量，以延长电池寿命或实现无电池设计。
4. 能量收集技术在可持续发展中的作用是什么？
能量收集技术在可持续发展中扮演着重要角色。它可以帮助减少对有限资源（如矿物燃料）的依赖，转向更清洁和可再生的能源来源。通过减少电池的使用和延长产品寿命，能量收集技术有助于减少电子垃圾的产生，并降低对环境的负面影响。此外，它还推动了新兴技术领域的发展，促进了创新和可持续性发展的实践。
5. 政府对能量收集技术有哪些支持政策？
政府对能量收集技术的支持主要体现在政策层面，包括财政补贴、税收减免和技术标准的制定。一些国家和地区为能量收集技术的研发和应用提供资金支持，鼓励企业和研究机构进行创新。此外，政府还可以通过税收政策激励企业采用可持续能源解决方案，例如对使用能量收集技术的产品给予税收减免或优惠。另外，政府还可以通过制定技术标准和监管措施，促进能量收集技术的规范化和推广应用，确保其安全性和可靠性。
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