|
來源：貿澤電子 在當前的新能源汽車上，動能回收是絕大多數車輛都可以設置的模式。在這個模式下，電動機轉換為發電機，將制動產生的能量回收，并將其儲存在高壓蓄電池中。電動汽車的動能回收屬于能量收集技術的一種。 能量收集（Energy Harvesting）也稱能量采集，對于物聯網這種基數龐大的設備而言，其應用價值和發展前景更被看好，能夠大大增加電池的使用壽命，甚至打造出無電池設計的方案。因此，在物聯網領域，能量收集是新興應用的主要推動技術之一，是行業發展的未來。 和其他領域有明顯差異的是，物聯網領域的能量收集技術往往對方案體積要求更加嚴格。在具體的設計過程中，將MCU和專用能量收集IC結合在一起，然后輔以低功耗、高精度的電源管理IC實現完整的功能。貿澤電子作為電子元器件一站式采購平臺，能夠給大家提供可用于物聯網能量收集的豐富元器件選擇，幫助大家打造更具市場競爭力的創新方案。 能量收集的精準充電 目前，物聯網應用主要采用有線電源和電池供電，部署之后存在維護困難和壽命限制等問題，制約了物聯網產業的發展。 根據市場調研機構Statista發布的數據，2021年全球聯網物聯網設備的數量為113億，預計到2030年將達到294億臺。為了實現設備的高效維護，降低運營的成本壓力，并減少廢舊電池對環境的污染，會有越來越多的物聯網設備采用能量收集解決方案。 如上所述，能量收集技術最終的愿景是，讓物聯網應用在無需布線、無需更換電池的情況下，即可實現其生命周期內的永久續航。 從能量類型來看，物聯網能量收集方案的能量來源主要是光能、射頻（RF）能量、溫差能量（TEG）和機械能等，電源管理IC將這些能量高效率轉換為穩壓電壓，或為電池和超級電容器存儲元件充電，這便是能量收集技術的基本工作原理。 目前，能量收集方案在不斷的創新。如下圖所示，這是韓國科學技術研究所（KIST）研究人員打造的熱電發電機，通過使用一種附著在由銀納米線制成的彈性基底上的無機材料，解決了傳統熱電發電機剛性的問題，能夠和人體皮膚有很好的貼合，將人體熱量利用起來，更有利于打造無需電池的可穿戴設備。 
圖1：人體熱量熱電發電機概念圖（圖源：韓國科學技術研究所）
圖2：人體熱量熱電發電機原理圖（圖源：韓國科學技術研究所） 在不斷創新的推動下，目前能量收集技術在物聯網無線傳感器、工業設備、樓宇自動化、智能電網、農業、可穿戴設備等眾多領域已經展開應用。不過，由于能量收集技術是從自然環境中獲取能量，導致能量收集存在發電效率低、不穩定等問題。因此，目前能量收集技術大都還是和電池系統搭配使用。 對于像光能這種已經發展相對成熟的應用，能量收集技術主要搭配二次電池一起使用，系統的典型結構是收集、調節和儲存三部分。如下圖所示，這是一種雙源能量收集的電路框圖，能量收集器從能量源捕獲能量并輸出電能，接下來通過電源管理IC調節輸入電壓以適應負載要求，最后這些能量都被儲存在二次電池中。
圖3：雙源能量收集電路示意圖（圖源：國家知識產權局） 在這個典型結構中，中間的電源管理IC起到了承上啟下的作用，將能量收集器與儲能電池連接起來。與此同時，電源管理IC的性能好壞，也決定了這套系統能量轉換、收集效率的高低。 在此，我們為大家推薦來自制造商Analog Devices (ADI)的MAX17703鋰離子電池充電器控制器，這款器件在貿澤電子上的料號為MAX17703ATG+。 MAX17703是一款高效、高壓、同步、降壓、Himalaya鋰離子電池充電器控制器，設計用于在4.5V至60V輸入電壓范圍內工作。
圖4：MAX17703鋰離子電池充電器控制器（圖源：貿澤電子） MAX17703為鋰離子電池提供完整的充電解決方案，能夠適配鋰聚合物、LiFePO4和鋰鈦酸電池等二次電池，并提供出色的調節、監視精度。該器件分別提供±4%和±1%的精確CCCV充電電流/電壓，充電電流監視精確度（ISMON）為±6%，能夠以恒定電流（CC）和恒定電壓（CV）狀態為電池充電，并在錐形定時器結束后在充滿電狀態下端接。
圖5：MAX17703鋰離子電池充電周期（圖源：ADI） 需要特別指出的是，MAX17703是一款開關電池充電器控制器，相較于脈沖式和線性式，具有更出色的恒流和恒壓性能，并且不需要外部器件的幫助就能夠起到調節作用，因此能夠和光能等能量源更好地配合。就以光能為例，目前很多物聯網應用采用小型光伏系統供電，不過光伏電池輸出功率隨光照強度的增加而增加，隨環境溫度的升高而降低，實時調節工作電壓使其工作在最大功率點附近，能夠有效提升能量收集的效率。 如下面的簡化原理框圖所示，MAX17703通過外部N-MOSFET提供輸入電源側短路保護，可防止輸入意外短路時電池放電。
圖6：MAX17703應用電路框圖（圖源：ADI） 此外，MAX17703提供的保護功能還包括安全定時器特性（TMR）、深度放電電池檢測和預處理（DDTH）、逐周期過流限制、可編程EN/UVLO閾值和過溫保護等。這些出色的保護功能讓MAX17703能夠被應用于嚴苛的環境中。 除了應用于工業電池充電和能量存儲，MAX17703還能夠被應用于電動工具和手持式終端、電池備份、照明、安全攝像頭和控制面、便攜式工業和醫療設備，以及樓宇和家居自動化備用電源等應用中。 能量收集的高效管理 物聯網能量收集的另一種主流搭配方式是能量收集+一次電池，這樣做的目的是盡可能延長物聯網應用中一次電池的使用壽命，降低更換電池的頻次。 回到上面的論點，目前大部分通過能量收集而來的能量量級還很小且不穩定，采用一次電池作為備份能量，可以在需要的時候保證系統運行，較為常見的案例有無線傳感器節點、可穿戴設備、狀態檢測設備、資產跟蹤設備等。不過，和傳統一次電池供電的物聯網應用不同，這些方案中的一次電池主要起到備用電池的作用，因此需要更精細化的管理和使用。 在此，我們為大家推薦來自制造商ADI的LTC3337一次電池健康狀況監視器，貿澤電子上這款器件的料號為LTC3337ERC#TRMPBF。
圖7：LTC3337一次電池健康狀況監視器（圖源：貿澤電子） LTC3337是一款具有內置精密庫侖計數器的原電池健康狀態(SOH)監視器，可提供電池放電、電壓、阻抗和溫度的精確實時讀數。無限動態范圍庫侖計數器是ADI獲得專利的創新設計，記錄所有累積的電池放電，并將其存儲在可通過I²C接口訪問的內部寄存器中。基于此充電狀態(SOC)的放電警報閾值可通過編程設置。當達到閾值時，IRQ引腳產生中斷。庫侖計數器的精度低至空載也保持恒定。LTC3337設計用于與一次電池串聯，相關串聯電壓降極小。
圖8：LTC3337系統框圖（圖源：ADI） LTC3337的引腳功能能夠帶來更加靈活的設計選擇。比如，為了能夠適用于各種一次電池輸入，開發人員可以通過LTC3337器件引腳在5mA至100mA之間選擇峰值輸入限流值；可針對BAT_IN或BAT_OUT引腳進行庫侖計算，具體取決于AVCC引腳連接；為輸出端使用兩個超級電容器（可選）堆棧的應用，提供BAL引腳。
圖9：LTC3337典型應用電路（圖源：ADI） 通過下圖能夠看到，LTC3337內部集成的庫侖計數器具有非常高的精密性。
圖10：庫侖計數器誤差表現（圖源：ADI） LTC3337可用于與能量收集技術搭配的低功耗一次電池供電系統，也可用于遠程工業傳感器（例如儀表和警報）、資產跟蹤器、電子門鎖、保持有效電源和電池設備和SmartMesh® 等應用中。 為什么說能量收集是物聯網的未來？ 物聯網能量收集系統和低功耗物聯網應用方案是強相關的。過往為了延長設備壽命并降低更換電池的頻次，一些物聯網設備往往都會限制帶寬和數據上傳次數，其余時間大多被迫處于休眠或者低功耗模式。不過，隨著能量收集技術逐漸成熟，物聯網設備可以根據環境的變化靈活使用電能，在保障壽命和低運營成本的情況下，進一步豐富了物聯網方案的功能性。 根據IDTechEx研究，能量收集市場規模將從2017年的4億美元增長到2024年的26億美元。在物聯網方案持續關注低功耗的趨勢下，加之能量收集的能量源和技術逐漸豐富和成熟，會有越來越多的物聯網應用受益于“低功耗+能量收集”這套技術組合。 正如上述所講的，在能量收集系統中，電源管理IC起到了至關重要的作用，是系統的核心之一，而提供出色電源管理IC產品正是貿澤電子能夠賦能物聯網能量收集技術更好發展的價值所在。 |
