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[导读]第一个电池是在 1800 年发明的。200 多年后,我们仍然使用不可充电电池,尽管它们对实际和环境有负面影响。随着社会转向更可持续和更有效的方式为低功率设备获取能源,这些缺点可能很快就会成为过去。这种转变将使我们的生活更轻松,因为无需更换电池。工业将特别受益,因为在工业规模上更换电池的成本可能相当高。

第一个电池是在 1800 年发明的。200 多年后,我们仍然使用不可充电电池,尽管它们对实际和环境有负面影响。随着社会转向更可持续和更有效的方式为低功率设备获取能源,这些缺点可能很快就会成为过去。这种转变将使我们的生活更轻松,因为无需更换电池。工业将特别受益,因为在工业规模上更换电池的成本可能相当高。

以下是使用一次性电池的一些缺点:

• 它们占用设备中的大量空间。如果设备没有电池,它们可以做得更小。或者,可以将释放的空间用于附加功能。

• 他们在最不方便的时候耗尽能量。

• 更换电池需要时间和财力,这对于需要更换数千或更多电池的大型行业来说尤其复杂且成本高昂。

• 它们可能导致智能设备(如跟踪器、传感器和监控设备)中的数据丢失。

• 含有重金属的电池如果处理不当会污染环境。

全球物联网设备的数量正在迅速增长,支持这种增长所需的电池数量也在迅速增长。预计到 2025 年每天将有 7800 万个电池被丢弃,到 2050 年将有 1000 亿个 AA 电池被废弃(相当于 300 个奥林匹克规模的游泳池),显然物联网公司必须承担日益严重的环境问题。但是我们如何处理如此大量的有毒废物呢?

解决方案是从环境来源收集能量。

我们使用的设备周围有很多能量:太阳能、热能、振动和射频 (RF) 等。这种能量可用于为低功率设备充电,例如电视遥控器、无线耳机、火警、手表、电子货架标签、动物和资产跟踪器、恒温器、智能开关和体重秤等。

所有这些设备都可以从附近的不同能源中充电。

根据可用的能源,设备将需要集成能量收集器,例如光伏电池、热电发电机、压电材料、电磁换能器或天线。

另一个必要的组件是电源管理单元,它优化了向存储元件(可充电电池、超级电容器等)的能量传输并为电力系统(应用程序)供电。这样的方案提供了多年的持续供电,解决了更换电池的瓶颈。

要了解它是如何工作的,让我们考虑一款智能手表,它可以通过室内和/或室外光充电。这项技术在智能手表平台上工作需要三个主要元素:

1. 用于吸收光并将其转换为能量的能量收集器(在本例中为 PV 电池)

2. 一种用于有效地将光伏电池能量转移到存储元件中的集成电路

3. 用于存储收集到的能量的存储元件,通常是锂离子或锂聚合物电池,已经存在于标准智能手表中

一旦将这三个组件都集成到一个设备中,它的电池寿命就可以显着延长,或者在最好的情况下,它甚至可以运行多年而无需更换电池或将其放在充电站上。为了在这样的应用中正常工作,电源管理 IC 必须能够在非常昏暗的室内环境和明亮的室外光线下为手表电池充电,动态地和自动地(最好是每秒几次)适应它的电量从光伏电池中提取。这在移动物体的情况下是原始的。

能量收集的另一个很好的例子是无线充电电子货架标签(ESL),主要用于零售。此类标签可以使用放置在天花板或墙壁上的专用发射器从射频波中充电。专用发射器将射频功率传输到 ESL,通常发射 100 mW 到几瓦的功率。ESL 集成了一个或多个天线、一个匹配电路、一个整流器和一个专用电源管理 IC,该电源管理 IC 使用接收到的功率为存储元件充电。根据发射器和接收天线之间的距离,典型的接收功率范围从几十毫瓦到几微瓦。

在此应用中使用射频能量收集的优点是易于集成:无需修改设备外壳,就像光伏能量收集的情况一样,需要集成光伏电池

就像转向全电动汽车一样,采用能量收集技术需要重新开发设备。但这种转变是不可避免的,因为能量收集不仅能让我们享受不会耗尽能源的设备,而且还会对环境产生积极影响。


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