能量收集技术让物联网终端设备终身不换电池

来源：贸泽电子

在当前的新能源汽车上，动能回收是绝大多数车辆都可以设置的模式。在这个模式下，电动机转换为发电机，将制动产生的能量回收，并将其储存在高压蓄电池中。电动汽车的动能回收属于能量收集技术的一种。

能量收集（Energy Harvesting）也称能量采集，对于物联网这种基数庞大的设备而言，其应用价值和发展前景更被看好，能够大大增加电池的使用寿命，甚至打造出无电池设计的方案。因此，在物联网领域，能量收集是新兴应用的主要推动技术之一，是行业发展的未来。

和其他领域有明显差异的是，物联网领域的能量收集技术往往对方案体积要求更加严格。在具体的设计过程中，将MCU和专用能量收集IC结合在一起，然后辅以低功耗、高精度的电源管理IC实现完整的功能。贸泽电子作为电子元器件一站式采购平台，能够给大家提供可用于物联网能量收集的丰富元器件选择，帮助大家打造更具市场竞争力的创新方案。

能量收集的精准充电

目前，物联网应用主要采用有线电源和电池供电，部署之后存在维护困难和寿命限制等问题，制约了物联网产业的发展。

根据市场调研机构Statista发布的数据，2021年全球联网物联网设备的数量为113亿，预计到2030年将达到294亿台。为了实现设备的高效维护，降低运营的成本压力，并减少废旧电池对环境的污染，会有越来越多的物联网设备采用能量收集解决方案。

如上所述，能量收集技术最终的愿景是，让物联网应用在无需布线、无需更换电池的情况下，即可实现其生命周期内的永久续航。

从能量类型来看，物联网能量收集方案的能量来源主要是光能、射频（RF）能量、温差能量（TEG）和机械能等，电源管理IC将这些能量高效率转换为稳压电压，或为电池和超级电容器存储元件充电，这便是能量收集技术的基本工作原理。

目前，能量收集方案在不断的创新。如下图所示，这是韩国科学技术研究所（KIST）研究人员打造的热电发电机，通过使用一种附着在由银纳米线制成的弹性基底上的无机材料，解决了传统热电发电机刚性的问题，能够和人体皮肤有很好的贴合，将人体热量利用起来，更有利于打造无需电池的可穿戴设备。


图1：人体热量热电发电机概念图（图源：韩国科学技术研究所）


图2：人体热量热电发电机原理图（图源：韩国科学技术研究所）

在不断创新的推动下，目前能量收集技术在物联网无线传感器、工业设备、楼宇自动化、智能电网、农业、可穿戴设备等众多领域已经展开应用。不过，由于能量收集技术是从自然环境中获取能量，导致能量收集存在发电效率低、不稳定等问题。因此，目前能量收集技术大都还是和电池系统搭配使用。

对于像光能这种已经发展相对成熟的应用，能量收集技术主要搭配二次电池一起使用，系统的典型结构是收集、调节和储存三部分。如下图所示，这是一种双源能量收集的电路框图，能量收集器从能量源捕获能量并输出电能，接下来通过电源管理IC调节输入电压以适应负载要求，最后这些能量都被储存在二次电池中。


图3：双源能量收集电路示意图（图源：国家知识产权局）

在这个典型结构中，中间的电源管理IC起到了承上启下的作用，将能量收集器与储能电池连接起来。与此同时，电源管理IC的性能好坏，也决定了这套系统能量转换、收集效率的高低。

在此，我们为大家推荐来自制造商Analog Devices (ADI)的MAX17703锂离子电池充电器控制器，这款器件在贸泽电子上的料号为MAX17703ATG+。

MAX17703是一款高效、高压、同步、降压、Himalaya锂离子电池充电器控制器，设计用于在4.5V至60V输入电压范围内工作。


图4：MAX17703锂离子电池充电器控制器（图源：贸泽电子）

MAX17703为锂离子电池提供完整的充电解决方案，能够适配锂聚合物、LiFePO4和锂钛酸电池等二次电池，并提供出色的调节、监视精度。该器件分别提供±4%和±1%的精确CCCV充电电流/电压，充电电流监视精确度（ISMON）为±6%，能够以恒定电流（CC）和恒定电压（CV）状态为电池充电，并在锥形定时器结束后在充满电状态下端接。


图5：MAX17703锂离子电池充电周期（图源：ADI）

需要特别指出的是，MAX17703是一款开关电池充电器控制器，相较于脉冲式和线性式，具有更出色的恒流和恒压性能，并且不需要外部器件的帮助就能够起到调节作用，因此能够和光能等能量源更好地配合。就以光能为例，目前很多物联网应用采用小型光伏系统供电，不过光伏电池输出功率随光照强度的增加而增加，随环境温度的升高而降低，实时调节工作电压使其工作在最大功率点附近，能够有效提升能量收集的效率。

如下面的简化原理框图所示，MAX17703通过外部N-MOSFET提供输入电源侧短路保护，可防止输入意外短路时电池放电。


图6：MAX17703应用电路框图（图源：ADI）

此外，MAX17703提供的保护功能还包括安全定时器特性（TMR）、深度放电电池检测和预处理（DDTH）、逐周期过流限制、可编程EN/UVLO阈值和过温保护等。这些出色的保护功能让MAX17703能够被应用于严苛的环境中。

除了应用于工业电池充电和能量存储，MAX17703还能够被应用于电动工具和手持式终端、电池备份、照明、安全摄像头和控制面、便携式工业和医疗设备，以及楼宇和家居自动化备用电源等应用中。

能量收集的高效管理

物联网能量收集的另一种主流搭配方式是能量收集+一次电池，这样做的目的是尽可能延长物联网应用中一次电池的使用寿命，降低更换电池的频次。

回到上面的论点，目前大部分通过能量收集而来的能量量级还很小且不稳定，采用一次电池作为备份能量，可以在需要的时候保证系统运行，较为常见的案例有无线传感器节点、可穿戴设备、状态检测设备、资产跟踪设备等。不过，和传统一次电池供电的物联网应用不同，这些方案中的一次电池主要起到备用电池的作用，因此需要更精细化的管理和使用。

在此，我们为大家推荐来自制造商ADI的LTC3337一次电池健康状况监视器，贸泽电子上这款器件的料号为LTC3337ERC#TRMPBF。


图7：LTC3337一次电池健康状况监视器（图源：贸泽电子）

LTC3337是一款具有内置精密库仑计数器的原电池健康状态(SOH)监视器，可提供电池放电、电压、阻抗和温度的精确实时读数。无限动态范围库仑计数器是ADI获得专利的创新设计，记录所有累积的电池放电，并将其存储在可通过I²C接口访问的内部寄存器中。基于此充电状态(SOC)的放电警报阈值可通过编程设置。当达到阈值时，IRQ引脚产生中断。库仑计数器的精度低至空载也保持恒定。LTC3337设计用于与一次电池串联，相关串联电压降极小。


图8：LTC3337系统框图（图源：ADI）

LTC3337的引脚功能能够带来更加灵活的设计选择。比如，为了能够适用于各种一次电池输入，开发人员可以通过LTC3337器件引脚在5mA至100mA之间选择峰值输入限流值；可针对BAT_IN或BAT_OUT引脚进行库仑计算，具体取决于AVCC引脚连接；为输出端使用两个超级电容器（可选）堆栈的应用，提供BAL引脚。


图9：LTC3337典型应用电路（图源：ADI）

通过下图能够看到，LTC3337内部集成的库仑计数器具有非常高的精密性。


图10：库仑计数器误差表现（图源：ADI）

LTC3337可用于与能量收集技术搭配的低功耗一次电池供电系统，也可用于远程工业传感器（例如仪表和警报）、资产跟踪器、电子门锁、保持有效电源和电池设备和SmartMesh® 等应用中。

为什么说能量收集是物联网的未来？

物联网能量收集系统和低功耗物联网应用方案是强相关的。过往为了延长设备寿命并降低更换电池的频次，一些物联网设备往往都会限制带宽和数据上传次数，其余时间大多被迫处于休眠或者低功耗模式。不过，随着能量收集技术逐渐成熟，物联网设备可以根据环境的变化灵活使用电能，在保障寿命和低运营成本的情况下，进一步丰富了物联网方案的功能性。

根据IDTechEx研究，能量收集市场规模将从2017年的4亿美元增长到2024年的26亿美元。在物联网方案持续关注低功耗的趋势下，加之能量收集的能量源和技术逐渐丰富和成熟，会有越来越多的物联网应用受益于“低功耗+能量收集”这套技术组合。

正如上述所讲的，在能量收集系统中，电源管理IC起到了至关重要的作用，是系统的核心之一，而提供出色电源管理IC产品正是贸泽电子能够赋能物联网能量收集技术更好发展的价值所在。