Webinar 精彩回顾 | 吴柯：颠覆电池依赖！环境能量收集三招破解IoT供电难题
本期精彩回顾为加拿大蒙特利尔大学工学院教授、Electromagnetic Science科学顾问吴柯的《迈向无电池物联网与传感系统的发展 —— 第一部分：环境能量收集技术与器件》。
Webinar 精彩回顾
主题：迈向无电池物联网与传感系统的发展 —— 第一部分：环境能量收集技术与器件
· 解决的问题：当前物联网（IoT）设备主要依赖电池供电，导致能源消耗大、维护成本高，且更换电池不便，尤其是在大规模部署场景下。如何减少对电池的依赖，实现更可持续、低维护的IoT系统是一个亟待解决的重大问题。· 提出的方法：本次演讲探讨了利用环境能量收集（Ambient Energy Harvesting, AEH）技术，重点关注无处不在的无线射频（RF）能量收集，结合与机械动能、热能转换、光伏系统以及新型纳米材料等混合收集手段，为物联网设备与系统提供可持续而无处不在的廉价的电力来源。这些方法可帮助设备在无电池或极低能耗的情况下运行。· 实现的效果：研究表明，环境能量收集技术能够有效延长IoT设备的工作寿命，减少对传统电源的依赖，并且在智能家居、医疗监测、工业自动化等多个领域展现出良好的应用前景。· 创新点：（1）采用多模态能量收集技术，提高能量转换效率。（2）结合新型非线性电子器件选择和设计，使设备可在极低能量环境下高效率收集运行。（3）通过智能功率管理系统优化能量收集与分配，实现高效能量利用。
Webinar 内容简介
Abstract本报告系统回顾了器件技术、能量转换与回收技术的演进历程及其阶段性突破，重点聚焦于面向物联网（IoT）系统与智能环境的低功率环境电磁能量收集技术，涵盖低功率密度环境能量获取及辐射式电磁能量转换等关键领域。结合无线通信系统的广泛部署，深入探讨环境射频（RF）与微波能量源的特性及其在无线能量传输（WPT）与能量收集（EH）系统中的应用潜力。如何高效利用并循环回收环境电磁能量，是当前及未来无线供能技术和自供能物联网传感器件可持续发展的核心挑战。本报告进一步推导并提出满足低功耗物联网节点及低占空比传感应用的环境能量收集关键性能指标及设计准则。结合不同器件技术的发展趋势，评估其在低功耗无线系统中的可行性和性能上限。同时，围绕环境能量收集领域的前沿进展，重点介绍新兴能量收集器件与技术，特别是我们提出的颠覆性创新方案，包括混合能量收集架构及协同优化系统设计范式，以提升能量转换效率与系统鲁棒性，为新一代自供能物联网与传感系统的构建提供理论支撑与技术路径。Concluding Remarks数学模型验证与效率突破：（1）开发的数学模型通过理论与实验双重验证，预测结果与实测数据高度吻合，首次揭示了肖特基二极管的效率上限（受限于热噪声）。（2） 模型支持参数独立分析与优化建议，为器件设计提供量化工具。协同混合能量收集：全球首次提出“协同混合环境能量收集”方案，在-40 dBm低功率下输出功率提升100%，且可拓展至微波、动能、热能等多场景组合。反向隧道二极管革新：（1）首次验证反向隧道二极管在环境能量收集中的应用，1微瓦输入功率下转换效率从5%跃升至18%，未来仍有巨大优化空间。（2）热效应研究首次量化温度对效率的影响，取决于输入功率大小，揭示某个常用肖特基二极管存在在15°-20°C间存在着最佳工作点。General Conclusion器件非线性是关键·环境能量收集需采用超高非线性器件（如隧道二极管、磁隧道结器件），突破肖特基二极管的物理限制（热电压瓶颈）。技术路线图·材料创新：金属-绝缘体-金属（MIM）二极管、二维材料堆叠阵列等等全新技术，有望实现更高电流响应率。·电路优化：动态阻抗匹配网络适配高阻抗器件，释放性能潜力。·混合架构：多源能量协同采集（如电磁+动能），提升系统鲁棒性。未来场景·自供能城市：路灯、传感器“吸”环境电磁波能量运行，无需电网依赖。·极端环境应用：-40°C极寒或高温场景下，自适应温度调控技术保障效率稳定。·核心价值：从理论模型到器件革新，为无电池物联网铺平道路——让设备像植物一样，从环境中“光合”能量。
Webinar
图1：演讲大纲
图2：无线能源需求和解决方案
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