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2020-11-03 15:48:16陳秋雲交大電子研究所陳柏宏老師研發出—無電池系統設計*能滿足多元應用需求*


交通大學電子研究所教授陳柏宏

過去幾年物聯網裝置以不可思議的速度成長,對人類生活帶來極大便利性。對於部署於特定位置的物聯網裝置,儘管裝置本身已有省電設計,但因部署位置難以更換電池,因此發展可從外部能源獲取電力的無電池物聯網裝置,成為全球積極投入的研發方向。
目前無電池物聯網裝置使用的外部能源,大致上可分成太陽能、溫差、震動,以及透過無線傳能等方式,搭配專屬的能源管理晶片,即可提供物聯網裝置適當的能源。在前述各種環境能源中,目前以太陽能發電最為成熟,除有光能取得容易的優點外,也有發電功率密度較高,可獲得較大能量的特性。溫度差發電雖然可獲得的能量較低,但適合運用於人體生理信號的感測,能量來源最終取決於應用模式與場景。
 
交通大學電子研究所教授陳柏宏說,採用無電池設計的感測裝置,除本身必須採用低功耗設計之外,也需屬於傳輸資料少、時間短的感測裝置。唯有如此,才能在絕大部分時間透過太陽能、溫差進行充電,並以低耗電狀態進行偵測和資料儲存,並於符合條件狀態下,於極短時間運用大電力傳輸資料。
 
平時儲存能源,重要時刻發送資料
 
無電池的物聯網裝置運用範圍非常廣泛,以物流管理為例,若倉儲本身照明設備提供足夠光源,加上物品標籤採用對應的設計,平時就藉由吸收能源記錄商品的保存狀況與內容資訊,並儲存多餘能源,當能量足夠後,可將完整產品資訊傳送至伺服器,有助於大幅提升物流管理效率與發貨速度。
 
另外,為掌握洗腎病人的健康狀況,目前亦有研發團隊將感測元件與軟性電路板整合,可貼在病人的手臂上。如此一來,只需搭配具備無線充電功能的手環,即可收集病人的健康狀況,對於後續精準治療將帶來極大幫助,也為智慧醫療帶來更多元的想像。
 
陳柏宏指出,以往受限於技術上限制,若要確保病人身上的健康偵測裝置能24小時運作,不是因內建電池導致產品體積過大,就是得定時為裝置進行充電,即便現在有小型行動電源可使用,仍然會讓病人感到非常不便。現在將感測元件與軟性電路板整合之後,幾乎讓病人感覺不到偵測裝置的存在,即便搭配無線充電功能的手環,也不會影響到日常生活,可順利收集24小時以上的生理資訊,對於改善洗腎病人生活有極大幫助。
 
除無電池設計之外,能源擷取技術亦可搭配充電電池,實現混合式供電架構。物聯網裝置平時可透過外部能源運作,並為電池進行充電,當外部能源不足時,則可改由內部電池供電,此舉也能有效延長電池使用時間。
 
儘管前述案例都尚處於技術驗證階段,未來若能進入商業化應用,將可解決物聯網裝置的電源供應問題,可望擴大物聯網應用範疇,為人類創造更棒的智慧生活。