减少智能家居领域对于电池供电的依赖

趋势

可持续发展和经济适用性

无线供电领域的新创意可减少我们在智能家居领域中为设备供电时对电池的依赖。作者:Ronald M. Weber,楼宇自动化部门全球行业经理

电力。 如果没有电力,我们日常生活中使用的所有电子创新产品都不过是一堆无用的硅、塑料和金属堆砌品罢了。围绕物联网的最新创新也不例外。所有互连设备,不管是戴在手腕上的健身监视器、联网的电子门锁,还是工业机械中的超声波传感器,都依赖于电力来发挥作用,并与世界进行连接。随着物联网在我们生活中的逐渐普及,电源管理和交付正逐渐成为一项日益严峻的考验。诚然,我们在制造耗能极低(微瓦级)的微处理器和元件方面取得了长足进步,但它们仍需要电力。物联网设备通常会启用睡眠模式以停止电力供应,此时消耗的电力几乎测量不到,但它们仍需要电力。 

每个互连设备,都依赖于电力才能正常工作并与世界进行连接。

尽管所有技术领域都取得了不错的发展,但始终没有人开发出永恒的电力来源,因此,供电问题仍是设计师面临的主要挑战。 在某些情况下,设计师可以方便地利用外部电源,比如在工业机械、加工设备、甚至是新建家庭中的烟雾探测器中,都可以通过大量可分离的连接器选项或快速连接式导线端子将设备连接到电源。在电源不可用的情况下,设计师就只能借助电池或利用能量采集装置(如光伏电池或电动微型发电装置)来进行供电。 

如今的家庭是一个由互连设备构成的网络。
如今的家庭是一个由互连设备构成的网络。

电池仍然是大多数无线电子设备的实际供电标准。 这些靠电池供电的设备已经深入到我们生活中的方方面面,并将以互连设备的形式扩展到我们日常生活中的各个角落。与此同时,负责这些设计的产品设计师面临的挑战也与日俱增。设计师需要在电池的尺寸和数量与其必须提供的电力及其预计使用寿命之间取得平衡。这不是一个容易或简单的任务,但却为物联网的设计者提供了一个稳定、形态固定的能量来源,并为其提供了大量的尺寸和集成选项。不管是小型 LR1154 钮扣电池还是 AA (IEC R6) 圆柱形电池,其在全球各地都能买到,且采用标准尺寸,这使得所有消费者都能够方便地使用和更换它们。无论选择何种电池,设计师都可以通过大量的不同连接选项来简化组装、开通调测及日后的电池更换操作。

除非设备电源领域有新的思路得到广泛采用或深入发展,否则家用自动化设备必将使智能家居对于电池数量的需求出现迅猛增长。

您只需要留意观察一下普通家庭中的各种设备,就会发现电池到底有多么地普及了。 在实际应用中,就拿我们的手机来说,我们似乎早已习惯在一天的辛勤忙碌后将手机插到电源上来为电池充电。我们无法想象一台电视机在缺少了靠一次性 AA 电池供电的遥控器时会是怎样一番景象。从手电筒到游戏控制器,一切装置都依赖电池才能正常工作。性命攸关的设备(如烟雾探测器)在保证我们家庭安全的同时,也会通过恼人的“唧唧”声来提醒我们必须更换电池了。最后,这意味着为了给这些设备供电,每个家庭都会在某处开辟专门存放更换电池的“窝点”- 但在真正需要它们的时候却总是找不到。除非设备电源领域有新的思路得到广泛采用或深入发展,否则家用自动化设备必将使智能家居对于电池数量的需求出现迅猛增长。

在智能家居领域,依靠电池供电的设备十分普遍。

在智能家居领域,依靠电池供电的设备十分普遍。

大多数新设备都采用了无线技术。 从挂在墙上的小型探测传感器到无线开关,从智能钥匙到电子门锁,尽皆如此。在某些应用,如开关和智能钥匙中,基于锂离子的钮扣电池的使用寿命相当惊人,通常可达到 5 年或更长时间。在其他一些耗电较高的应用中,如电子门锁和远程阀门,实际的电池寿命也就是几个月而已。出于实用和美观方面的原因,后面提到的这些应用限制了能够使用的电池的种类和数量。就门锁而言,没有人会购买或乐意使用需要四节 D 型 (LR20) 电池来提供五年使用寿命的门锁;因此,设计师必须在设计的实用性与可接受的电池寿命之间加以权衡。最后的选择结果通常是采用四到八节 AA 电池为门锁提供一年的电力,之后即需要更换电池。大多数房主对于一年更换一次门锁电池并无太多的抱怨 - 尽管在某些情况下,往往需要对门锁进行一定程度地拆卸才能完成电池更换操作。房主既然已经习惯了每年更换一次烟雾探测器中的电池,那么也让他每年更换几节门锁电池肯定也没什么大不了的,对吧?其实,也不一定是这样。如果它的主人并不是一间房的房主,而是包含数百个单元的高层公寓经理,或是拥有成千上万间装有电子门锁的宿舍的大学校园设施管理员呢?突然之间,更换门锁电池这样简单的小事就变成了一个异常艰巨、代价高昂且需要花费大量劳力的任务了。

我们继续上面的电子门锁这一话题:消除或最小化电池的尺寸和数量可能会产生广泛而深远的影响。 转眼间,门锁的尺寸就能得到显著的缩减 - 因为该锁具不再需要容纳笨重的电池组,并能带来更为美观的设计。在由 1000 个单元组成的公寓中,如果装配电子门锁,电池按一年更换一次计算的话,这些电子门锁十年的拥有成本就将近 50,000 美元。如果能找到一种可替代这些门锁中的电池的解决方案,毫无疑问,这将带来巨大的成本节约。这一难题就隐藏在电子门锁本身的性质之中。我们可以制造一种电子电路,它按照与智能钥匙或家用传感器模块类似的方法汲取电力。这是一种用于激活门锁的小型电机或螺线管,它在激活期间会消耗大量的电流,从而极大地消耗电池的电力。

使用其他供电选项代替电池可带来显著的成本节约 - 时间越长,节约效果越明显。
使用其他供电选项代替电池可带来显著的成本节约 - 时间越长,节约效果越明显。

这些门锁在激活并仅在门锁关闭时需要消耗相对较多的电力。 这为我们借助有可能彻底消除电池需要的替代性新技术创造了机会。这项技术就是近场供电技术。目前,市场上已有消费类电子产品采用这项技术,比如用于为手机或可穿戴设备充电的解决方案。TE 的 ARISO 非接触式连接平台就是这一技术的工业版本,它能够在机械和严苛环境应用中实现无线供电。只需对该无线供电技术进行略微的包装修改,就能将其用于电子门锁应用。修改后的门锁设计需要在门框中榫接一个小功率的发射器,并通过导线将其连接到门铃变压器或类似的低压直流源。此外,还需要在门框边缘榫接一个电力接收器和调节电路,以便在关门时,发射器和接收器能够对准并以无线方式穿过门框间隙输送高达 5W 的电力。这种级别的电力足够驱动大多数门,甚至可以用来在停电时将门锁总成中的小型备用电池充满电。

设计者需要考虑所有可为智能家居自动化产品供电的选项。
设计者需要考虑所有可为智能家居自动化产品供电的选项。

使用无线供电技术驱动门锁不只是从生命周期成本角度考虑时有其优势,它可能还具有更重要的环保意义。 根据全球范围内已安装的电子门锁数量及对其未来十年预期增长的行业统计数据进行分析,我们可以得到一些令人吃惊的数字。假设每把门锁每年需要更换 4 节电池,则在未来十年,这将产生超过 11 亿磅的废弃 AA 电池(需要沉积到垃圾填埋场中)。其重量相当于五艘美国尼米兹级航空母舰或 287,500 辆全尺寸汽车的总和。勿庸置疑,这是个惊人的数字,如果考虑到生产这些电池所带来的环保影响,这绝对是个重大的生态问题。通过在门锁中加入无线供电技术,我们甚至不必使用任何一次性电池,这将带来巨大的经济和生态优势。在我们继续构建自动化程度更高的住宅和建筑时,家用互连设备的设计师需要认真思量所有可用的供电选项 - 它们不一定是最便捷的设计选项。在设计流程的早期,设计师必须仔细考虑替代电源选项,而不要想当然地使用电池。对于我们所有人来说,这样的结果都是设计更加优良的产品 - 具有更长的生命周期,维护起来更加轻松也更经济高效,同时能够提升便利性。毕竟,没有人希望将一船的一次性废旧电池倾倒到我们自己的后院里。