免电池、免布线的能量采集系统，到底是什么？

什么是微能量采集？

微能量采集（Energy Harvesting）是一种捕获环境中微小、分散的能量，并将其转化为电能，为小型电子设备供电的技术，有时它也被称为环境发电。它的核心目标是为物联网传感器、可穿戴设备等实现“自供电”或“免维护”，从而摆脱对传统电池和电线的依赖。

能量收集的能量来源主要是光能、射频（RF）能量、温差能量（TEG）和振动能等，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。

微能量采集可以应用在哪些领域？

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。

为什么选择微能量采集（而不是电池或电源）

解决电池供电弊端：目前传感器节点主要靠干电池供电，随着物联网的发展，传感器节点数量大幅增长，电池更换会造成资源浪费、环境污染，且人工换电池维护费用巨大。

突破终端尺寸限制：在智慧农业、智慧城市、智慧穿戴等场景中，产品小型化已成为趋势，部分产品无多余空间放下常规电源模组，微能量采集技术成为了最佳的供能方案。

适应极端环境部署：在人们不长期活动场所（如森林、山丘、沙漠等）和恶劣工作环境（如桥梁、高空、监测环境），无线设备只能依靠电池供电，能源耗尽后补充能量成本极高，微能量采集技术可避免这一问题。

微能量采集是普通太阳能光伏的缩小版吗？

并不简单是。

首先，对于普通太阳能光伏来说，往往需要较强的太阳光照射以及较长的照射时间，以产生足够的能量保证整个系统的运行，在光照不足的情况下会影响设备的正常运营。而微能量采集对于光照的需求大大减少，只需要弱光环境即可工作，即使是室内灯光、阴雨天、阴影等环境均可工作。

再次，技术重心不同：普通太阳能光伏系统的技术难点在于材料效率、大规模电力电子和电网稳定性；而微能量采集的技术核心在于超低功耗的电源管理芯片和与之匹配的微功耗传感与通信技术。光伏系统是 “开源” ，追求总能量产出；微能量采集是 “节流” ，在极其有限的能量输入下，需要每一环节（采集、转换、存储、消耗）都达到极致能效。

微能量采集会产生更多成本吗？

单纯比较物料清单的初始成本，容易陷入误判：微能量采集方案看似比纽扣电池昂贵。

然而，考虑到更换成本与维护成本，更换电池所需的人工、差旅及特殊设备费用远超电池本身，单次维护成本可达数百元，特别是在工业物联网等大规模部署场景中，或者在人力不便到达的地方。延长了使用周期就是在有效节省成本。并且，微能量采集装置的设计寿命长达20年以上，远超电池的3-6年。

因此，尽管前期投入较高，但微能量采集能通过免维护、延长使用周期来显著降低长期总成本，并在环保与可持续运营层面创造更大价值。

微能量采集商业化了吗？

初次了解微能量采集，也许会误解微能量采集只是一个学术实验，其实不然。微能量采集技术早已走出实验室，进入了产业化应用和商业化阶段。德州仪器 (Texas Instruments) 和亚德诺半导体 ( Analog Devices）等公司早已将 EH（能量采集） PMIC 解决方案投放市场已有大约二十年。

2024年，广义的能量采集系统（包含传感器和模组）市场规模约为14.7亿美元 ，而专注于PMIC的细分市场规模估值在5.5亿至7.75亿美元之间 。预计到2030-2034年，市场规模将突破19.8亿美元至36.2亿美元。

微能量采集的可行性

随着传感器等器件功耗降低，以及电源管理IC技术突破，2011年后微能量收集技术收集的能量已能满足消耗。以微能量采集蓝牙遥控器为例：

按照最高使用频率计算，预估一天使用遥控器10分钟，使用功耗3mA；待机时间23小时50分钟，使用功耗0.5μA，一天24小时该产品约耗能510μAh。

保守预估白天室内平均照度在500Lux左右，持续9小时；照度200Lux左右的灯光持续4小时；照度在50Lux以下的黑暗时期持续11小时（此时不计入采集时间），合计可采集825μAh的能量，可以满足蓝牙模组的负载工作，

微能量采集的系统由哪些模块组成？

从本质上讲，能量收集分三个步骤：收集、调节和储存。换能器（如太阳能电池板、温差发电片、按压发电模块和振动发电模块）从能量源（如环境光、热、振动、压力、射频等）捕获能量并输出电能，电源管理IC从换能器获取电能，将能量输送给存储设备（锂电池、超级电容等），并为不同的负载提供稳定的工作电压。

微能量系统的核心是什么？

在微能量采集的系统中，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。可以说，PMIC（电源管理芯片）是能量采集系统不可或缺的“大脑”和“心脏”。电源管理IC的性能好坏，决定了这套系统能量转换、收集效率的高低。

为什么需要PMIC（电源管理芯片）？

简单来说，环境中的能量（如光、热、振动）通常是微弱、不稳定且难以直接使用的，而电子设备（如传感器、单片机）需要稳定、纯净的电压。PMIC 的核心作用就是在这两者之间架起一座桥梁，把“原始的脏能量”转化为“可用的标准电源”：

最大化能量提取（MPPT 技术）

能量收集源（如太阳能板）的输出特性是非线性的。当光照变化时，它们能输出最大功率的电压点也会随之变化。如果直接连接负载，大部分能量会被浪费掉。PMIC 内部集成了最大功率点追踪（MPPT, Maximum Power Point Tracking），能使能量采集器始终工作在效率最高的那个点上。

支持极低电压的“冷启动” (Cold Start)

很多环境能量源的输出电压极低。如下图所示为某太阳能光伏板在低于500Lux下照度的开路电压变化，由图可见该光伏板在低照度下的开路电压极小，在100Lux下甚至小于500mV，普通的芯片无法在这么低的电压下启动工作。而能量收集PMIC可以在极低的电压下实现冷启动，即在它的支持下，整个系统足以在低照度环境下正常工作。

储能管理 (Energy Storage Management)

能量收集通常是“靠天吃饭”，有光才有电，但设备可能需要 24 小时工作。PMIC充当了智能管家的角色，管理储能元件（如锂电池、超级电容）：

• 间歇式充电： 当环境能量充足时，优先给电池/电容充电。

• 后备切换： 当环境能量消失（如晚上），自动无缝切换到电池供电。

• 保护机制： 防止电池过充或过放，这对于微安级（µA）的小电池尤为重要。

自能量收集芯片诞生以来，国内在这一方向上一直未推出成熟的芯片解决方案。究其根源，设计一款高性能的能量收集与管理芯片，不仅需要严格控制芯片自身功耗，还必须同时实现高效的Boost-Buck转换效率、冷启动电路效能，并降低启动电压，并非朝夕之功。近年，国内厂商如米德方格通过技术攻坚，已推出多款能量收集PMIC，成功应用于各类低功耗产品领域。

审核编辑 黄宇