3.4　能源和电源管理

由于传感器和边缘设备数量达数10亿，将用于非常偏远的地区，因此能否提供可靠的电源成为一个挑战。此外，在物联网部署过程中，有传感器将被埋入海底，或嵌入混凝土基础设施，这将使电源更加复杂化。在本节中，我们将探讨能量收集和电源管理的概念。这两个概念在整个物联网中都是非常重要的概念。

3.4.1　电源管理

电源管理是个非常广泛的主题，涉及软件和硬件。了解电源管理在成功的物联网部署中的作用，以及如何有效地管理远程设备和长寿命设备的电源非常重要。架构师必须为边缘设备建立功率预算，包括：

• 有源传感器电源
• 数据收集频率
• 无线电通信强度和功率
• 通信频率
• 微处理器或微控制器功率与核心频率的函数关系
• 无源组件电源
• 漏电或供电效率低下造成的能量损失
• 驱动器和电机的功率储备

功率预算只是反映了从电源（电池）中需要被减去的功率总和。随着时间的推移，电池也不具有线性功率行为。当电池在放电过程中失去能量容量时，电压会迅速下降。这给无线通信系统带来了问题。如果电池电压降到最低电压以下，收音机或微处理器将达不到阈值电压，导致掉电。

例如，TI SensorTag C2650具有以下功率特性：

• 待机模式：0.24毫安
• 在禁用所有传感器的情况下运行（仅为LED供电）：0.33毫安
• 所有传感器以100毫秒/采样数据速率运行并广播：12.08毫安

• BLE:5.5毫安
• 温度传感器：0.84毫安
• 光传感器：0.56毫安
• 加速度计和陀螺仪：4.68毫安
• 气压传感器：0.5毫安

TI SensorTag使用标准CR2032扣式电池，额定值为240毫安时。因此，最长寿命预计为44小时左右。然而，当我们讨论Peukert的容量时我们会看到，对于电池型的设备来说，下降的速度是变化的，而且是非线性的。

采用了许多电源管理实践，例如在硅中不使用的时钟门控组件、降低处理器或微控制器的时钟速率、调整感测频率和广播频率、降低通信强度的退避策略以及各种级别的睡眠模式。这些技术作为一种通用的实践广泛应用于计算机业务中。

这里描述的技术反映了反作用功率管理技术。它们试图根据动态电压、频率调整和其他方案降低能源消耗。未来要考虑的新技术包括近似计算和概率设计。这两种方案都依赖这样一个事实，即在运行于边缘的传感器环境中，尤其是在涉及信号处理和无线通信的用例中，绝对精度并不总是必需的。近似计算可以在硬件或软件中完成，当与诸如地址和乘法器等功能单元一起使用时，可以简单地降低整数的精度水平（例如，值17 962相当接近17 970）。概率设计实现了许多物联网部署可以容忍一定程度的不完善，以放松设计约束。这两种技术都可以将门的数量和功率减少到比常规硬件设计几乎成指数级下降的水平。

3.4.2　能量收集

能量收集不是一个新概念，但却是物联网的一个重要概念。从本质上讲，任何表示状态变化的系统（例如，从热到冷、无线电信号、光）都可以将其形式的能量转换为电能。一些设备将其作为唯一的能源形式，而另一些则是混合系统，利用收集来增加或延长电池的寿命。反过来，收集到的能量可以存储和用于（节省）为低能耗设备供电，例如物联网中的传感器。系统必须有效地捕捉能量和储存能量。因此，需要先进的电源管理。例如，如果一个能量收集系统使用嵌入人行道的压电机械收集技术，它将需要在没有足够的人流量来保持装置充电的情况下进行补偿。与能量收集系统的持续通信会进一步消耗能量。通常，这些物联网部署将使用先进的电源管理技术，以防止功能完全丧失。

低备用电流、低泄漏电路和时钟节流等技术经常被使用。图3-18说明了能量收集最理想的领域以及它可以提供动力的技术。架构师必须注意确保系统既没有动力不足，也没有动力过剩。一般来说，收集系统的能量潜力低，转换效率低。架构师应该考虑在有大量未开发的废弃能源供应的情况下收集能量，例如在工业环境中。

能量收集技术在智能城市和远程通信的物联网产品中很常见。例如，许多城市经常使用以太阳能电池阵列为主要电源的交通统计和安全监视器。另一个例子是邮件和包裹投递箱，它使用瞬间的机械能量，当盒子打开时，这些能量会被捕捉到，以便电力电子设备监控投递箱的容量。

收集太阳能

来自光的能量，无论是天然的还是人造的，都可以被捕获并用作能源。在本章前面，我们讨论了光电二极管及其与可见光的关系。同样的二极管可以被大量用于建造传统的太阳能电池阵列。太阳能的发电能力是太阳能电池阵列面积的函数。实际上，室内太阳能发电效率不如太阳光直射。面板的额定功率是以瓦特为单位的最大输出功率。

太阳能收集的有效性取决于太阳的照射量，而日照量随季节和地理位置而变化。像美国西南部这样的地区可以从直接的光伏能源中回收相当多的能源。图3-19所示是由美国能源部国家可再生能源实验室编制的，其网站是：www.nrel.gov。

在美国，西南部地区的阳光强度特别好，一般没有云光阻碍，大气条件良好，而阿拉斯加的能量密度最弱，太阳能光伏发电通常效率不高。一般为8%～20%的效率，其中12%是典型值。不管怎样，一个25平方厘米的太阳能电池阵列在峰值功率下可以产生300毫瓦的功率。另一个因素是光的入射。为了使太阳能收集器达到这样的效率，光源必须垂直于阵列。如果入射角随太阳移动而变化，那么效率会进一步下降。在与太阳垂直时效率为12%的收集器，在太阳与垂直方向成30度角时，效率大约只有9.6%。

最基本的太阳能收集器是太阳能电池，它是一种简单的p-n半导体，类似于前面讨论的光电传感器。如前所述，当光子被捕获时，p和n材料之间会产生电势。

压电机械收集

正如本章前面提到的，压电效应可以用作传感器，但也可以用来发电。机械应变可以通过运动、振动甚至声音转化为能量。这些收集器可用于智能道路和基础设施，即使嵌入混凝土中，也可根据交通流动情况采集和更换系统。这些装置产生毫瓦量级的电流，因此适用于具有某种形式的能量收集和储存的非常小的系统。这个过程可以使用MEMS压电机械设备、静电和电磁系统来执行。

静电收集结合了法拉第定律，基本上，人们可以通过改变线圈的磁通量来感应电流。在这里，振动被耦合到线圈或磁铁上。不幸的是，该方案在物联网传感器领域提供的电压太小，无法进行整流。

静电系统是利用保持恒定电压或电荷的两个电容板之间的距离变化。由于振动导致板之间的距离发生变化，可根据以下模型收集能量（E）：

这里，Q是极板上的恒定电荷，V是恒定电压，C代表前面等式中的电容。电容也可以用板的长度Lw表示，相对静态电容率用ε0表示，板之间的距离用d表示，关系如下：

C=ε0Lw/d

通过微机械加工和半导体制造，静电转换具有可扩展性和成本效益的优点。

最后一种机电转换方法是压电机械。

压电设备在本章前面讨论传感器输入时已经讨论过。同样的基本概念也适用于能源生产。当压电机械MEMS设备试图阻尼附着在其上的质量时，振荡将转化为电流。

振动或机械能的捕获和转换的另一个考虑因素是在能量被使用或储存之前需要进行调节。通常情况下，无源整流器是通过加入一个大的滤波电容器来进行调节的。其他形式的能量收集不需要这样的调节。

射频能量收集

射频（RadioFrequency，RF）能量收集已经生产多年，以RFID标签的形式出现。RFID的优点在于它是一种近场通信，由于近距离，它使用一个收发器为RFID标签供电。

对于远场应用，我们需要从广播传输中获取能量。广播传输几乎无处不在，电视、手机信号和收音机都提供服务。与其他形式相比，从无线电频率捕获能量尤其困难，因为射频信号的能量密度在所有采集技术中是最小的。射频信号的捕获基于具有捕获频段的适当天线，典型的使用频段在531～1611千赫兹范围内（均在调幅无线电范围内）。

热回收

对于任何表现出热流的设备，热能都可以转化为电流。热能可以通过两个基本过程转化为电能：

• 热电：通过塞贝克效应将热能直接转化为电能。
• 热离子：也称为热隧穿。电子从被加热的电极中喷射出来，然后插入冷的电极中。

当导电材料中存在温度梯度时，就会产生热电效应（塞贝克效应）。在两个不同的电导体之间，从热区到冷区的载流子流动产生了电压差。热电偶或热电发生器（ThermoElectric Generator，TEG）可以简单地根据人体核心温度和外界温度的温差有效地产生电压。5℃的温差可以在3 V下产生40 uW。当热量流过传导材料时，热侧电极诱导电子流到冷侧电极，产生电流。现代热电设备使用n型或p型碲化铋串联。一侧接触热源（热电偶），另一侧被隔离。

热电偶堆收集的能量与电压的平方成正比，相当于电极之间的温差。可以通过以下方程式模拟热电偶所获得的能量：

这里S1和S2代表热电偶堆中两种材料（n型和p型）在存在温差时的不同塞贝克系数，TH-TL。由于塞贝克系数是温度的函数，存在温差，因此结果是电压差。这个电压通常很小，所以许多热电偶串联在一起形成一个热电偶堆。

热电偶堆和热电偶的主要区别如下：

• 热电偶根据两个导体形成的电连接产生与温度有关的电压输出，并测量两个不同温度的差异。对于高精度的温度测量来说，它们并不精确。
• 热电偶堆也是使用许多热电偶的电子设备，通常在串联电路中。它们通过热阻层测量温差。它们的输出电压与局部温差成比例。

目前热电偶的一个实质性问题是能量转换效率低（不足10%），然而，它们的优点是显著的，包括体积小、易于制造，因此成本相当低。它们的寿命也很长，超过100 000小时。当然，主要的问题是找到一个相对恒定的热变化源。在多个季节和多个温度的环境中使用这种设备是一个挑战。对于物联网设备，热电发电通常在50毫瓦范围内。

热离子产生基于电子从一个热电极喷射到一个冷电极上的势垒。势垒是材料的工作函数，当有重要的热源时使用最佳。虽然它的效率比热电系统好，但是跨越势垒所需的能量使得它通常不适合用于物联网传感器设备。可以考虑量子隧穿等替代方案，但它目前仍处于研究阶段。

3.4.3　储能

物联网传感器的典型存储是电池或超级电容器。在考虑传感器电源的架构时，必须考虑以下几个方面：

• 电源子系统的体积允许。电池能不能装得下？
• 电池能量容量。
• 可获得性。如果该装置嵌入混凝土中，就可以使用有限形式的能量再生，而且更换电池的难度会很高。
• 重量。该单元是打算作为无人机飞行，还是漂浮在水面上？
• 电池多久充电一次？
• 可再生能源形式是否如太阳能一样是持续可用的，还是间歇性的？
• 电池功率特性。当电池放电时，它的能量如何随时间变化。
• 传感器是否处于可能影响电池寿命和可靠性的热约束环境中？
• 电池是否具有保证最小电流可用性的配置文件？

能量和功率模型

电池容量以安培小时为单位。估算电池电源寿命的简化公式如下：

公式中，Cp为Peukert容量，I为放电电流，n为Peukert指数。众所周知，Peukert效应有助于预测电池的寿命，当放电增加时，电池的容量以不同的速率减少。这个方程显示了在更高的放电速率下如何从电池中使用更多的电能。或者，以较低的速率放电将增加电池的有效运行时间。对此现象的一种看法是，额定电流为100 Ah的蓄电池，在20小时内完全放电（本例中为5A）。如果把它放得更快（比如说，10小时内），容量就会降低。如果把它放得慢一点（比如说超过40小时），它会更大。然而，当在图上表示时，关系是非线性的。Peukert指数通常介于1.1和1.3之间。随着n的增加，我们从一个完美的电池进一步发展到一个随着电流增加放电更快的电池。Peukert曲线适用于铅酸蓄电池的性能，图3-20显示了一个示例。

人们可以看到不同类型的电池放电率的差异。碱性电池的一个优点是，在图表的很大一部分，放电率几乎是线性的。锂离子在性能上具有阶梯式的功能，因此使电池充电预测更加困难。尽管如此，锂离子在整个充电过程中提供一个近乎稳定和持续的电压水平，并在整个充电过程中持续地为电子设备供电（图3-21）。

图3-21图还说明了铅酸和镉镍具有较低的电压电势和曲线衰减功率，可以更可靠地计算。末尾的斜度也表明了Peukert的容量。

温度极大地影响电池的寿命，特别是电池中的电活性载体。随着温度的升高，电池放电时的内阻减小。即使在储存电池时，它们也会自放电，这会影响电池的整个使用寿命。

在权衡能量容量和功率处理时，图3-22是显示储能系统之间关系的一种有用方法。它是一种基于对数的刻度，选取电源的能量密度（Wh/kg）与功率密度（W/kg）绘制。这显示使用寿命更长的设备（电池）与存储更多能量的设备（超级电容器）的关系，如图3-22所示。

锂离子电池比镍镉和镍氢电池具有更高的能量密度和放电速率。电容器的功率密度很高，但能量密度相对较弱。注意：该图是基于对数的，它还显示了各种存储系统的放电时间。

电池

通常，锂离子电池（lithium-ion，Li-ion）由于能量密集，是移动设备中的标准电源形式。在这样的电池中，锂离子从负极向正极移动。在充电过程中，离子移回负区。这被称为离子运动。

电池也可以通过许多充放电循环来形成记忆。这种容量损失用初始容量的量度来表示（例如，1000次循环后损失30%）。这种损耗几乎与环境温度直接相关，在高温环境下损耗会增加。因此，如果要使用锂离子，架构师必须在受限的环境中管理热能。

电池寿命的另一个因素是自放电。当电池发生不必要的化学反应时，能量就会损失。损失率取决于化学和温度。通常情况下，锂离子电池可使用10年（每月损失约2%），而碱性电池只能使用5年（每月损失15%～20%）。

超级电容器

超级电容器的储能容量明显高于普通电容器。普通电容器的能量密度在0.01瓦特小时/千克之间。超级电容器的能量密度为1～10瓦特小时/千克，因此使它们更接近电池的能量密度，电池的能量密度约为200瓦特小时/千克。像电容器一样，能量是以静电的方式储存在板上，不像电池那样涉及能量的化学传递。通常，超级电容器是由石墨烯等相当特殊的材料制成的，这会影响整体成本。超级电容器的优点是在几秒钟内充满电，而锂离子电池在几分钟内充电到80%左右，然后需要一个涓流电流才能安全地继续充电。

此外，超级电容器不会被过度充电，而锂离子电池可能会过度充电，从而导致严重的安全隐患。超级电容器有两种形式：

• 双电层电容器（EDLC）：使用活性炭电极，静电储存能量
• 伪电容器：使用过渡金属氧化物和电化学电荷转移

与电池相比，超级电容器在预测剩余电力可用时间方面具有优势。剩余能量可以通过终端电压来预测，而终端电压随时间变化。锂离子电池从充满电到放电的能量分布是平坦的，因此很难估计时间。由于超级电容的电压分布随时间而变化，因此需要一个直流-直流转换器来补偿电压的大范围变化。

一般来说，超级电容器或电容器的主要问题是漏电流和成本。从本节后面的表格中可以看出，超级电容器有其用武之地。人们经常会在混合动力解决方案中看到它们与普通电池一起提供瞬时电力（例如，电动汽车加速），而电池供应则维持车辆运行时的电力。

放射性电源

一个高能量密度（105千焦/立方厘米）的放射源由于发射粒子的动能而产生热能。铯-137等放射源的半衰期为30年，功率容量为0.015瓦/克。这种方法可以在瓦特到千瓦的范围内发电，但在用于物联网部署的低功耗传感器级别中不实用。太空飞行器已经使用这种技术几十年了。利用MEMS压电电子技术捕捉电子并迫使微型电枢移动，可以产生可被收集的机械能，这是很有前途的发展。放射性衰变的第二个影响是相对较弱的功率密度分布。半衰期较长的辐射源功率密度较低。因此，它们适用于大容量充电超级电容器，以便在需要时提供瞬时能量。放射源的最后一个问题是所需的铅屏蔽的重量。铯-137需要80毫米/瓦的屏蔽，这会增加物联网传感器的成本和重量。

放射性电源的例子包括“好奇”号火星探测器和“新地平线”号宇宙飞船等太空飞行器。

储能概要和其他形式的电力

如前所述，选择正确的电源至关重要。表3-3提供了在选择正确电源时要考虑的系统中不同组件的概要比较。