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無電池系統設計 讓IoT裝置不用換電池

  • DIGITIMES企劃

在聯網裝置中,手機即使需要每天充電,也不會造成太大困擾;然而其他近千億個裝置即使一個月或一年才需更換一次電池,但由於數量龐大且可能位於偏遠之處(例如環境偵測器被放置於農林漁牧場域),因此電池更換費時且困難,造成龐大的人力和成本負擔。有鑑於此,在某些電力需求不是太大的特定應用中,無電池系統受到期待。

太陽能和溫度差發電最具潛力

交通大學電子研究所教授陳柏宏投入無電池系統設計研究,目的是解決上千億個物聯網裝置更換電池的大麻煩,成績已在國際間取得領先地位。

無電池系統如何實現?對於晶片設計而言,太陽能、溫度差發電、振動發電、射頻(RF)能量傳輸等擷能和傳能技術都是可行的方法。關於這些技術,近年國際會議上已有許多相關論文發表。

交通大學電子研究所教授陳柏宏指出,「在這些技術中,太陽能和溫度差發電之所以受到看好,是因為功率密度相對較高,單位面積能提供的能量較大,所以較具應用實現潛能。」在各種無電池系統技術中,溫度差發電較適用於人體生理信號的感測,不過,目前溫度差發電的能量相較於太陽能仍然偏低,且太陽能取得相對容易,因此無電池系統設計仍以太陽能發電為主。

陳柏宏研究團隊近年致力於發展電源積體電路、能源擷取電路、無線電力傳輸電路、低功率電源積體電路等,研發創新的電路技術及系統架構,可將技術整合至物聯網裝置、穿戴式裝置、生醫電子裝置中,提升裝置能源效率及電池續航力。

低功耗感測裝置,適用無電池設計

無電池系統的應用,主要是鎖定傳輸資料次數少且時間短的感測裝置。舉例來說,某個裝置也許1小時內只有1毫秒需利用較大電力來傳輸資料,其他時間僅進行低耗電的偵測和資料儲存,因此無電池系統可以利用絕大部分的時間儲存能量,為資料傳輸的那一毫秒鐘做好供電準備。目前尚未有相關產品問世,但一般認為此應用實現的可能性極高。

陳柏宏指出,「愈來愈多企業正在開發事件驅動的系統,整體平均耗電不高,可以整合採用太陽能、溫度差發電等技術,打造成無電池系統。」在應用方面,物流管理、人和物品的室內定位、商品管理等等,這些都是無電池系統可以發揮的情境。

特定應用規模不大,市場尚未成形

整體來看,目前市面上的物聯網裝置產品仍多採用較高功率設計,很少有產品可以滿足99%時間休眠、1%時間啟動的條件,因此無電池系統仍是無用武之地,「技術是可行的,但仍需有產業鏈其他環節的配合,才有可能促成無電池系統應用的發展。」陳柏宏說。

無電池系統無法快速商業化的另一個原因,在於特定應用的電源晶片都需經過特別設計,然而每一個利基市場的需求規模都不大,不符開發成本效益,導致大部分企業即使了解無電池系統的好處且是未來所需,仍然卻步不前。

陳柏宏團隊與產業界有許多合作,多與智慧電源管理有關,至於無電池系統設計則屬於該研究室的前瞻研究,目前仍然持續投入中,且研究成績已在國際間取得領先地位。期待無電池系統的早日商用,可以一勞永逸解決上千億個物聯網裝置更換電池的大麻煩。