1.3.2 能源管理和收集

由于边缘计算工作环境的多样性，以及边缘设备的部署数量有可能是巨大的，因此如何给设备提供持续稳定的能源常常也是边缘计算中的重要问题和挑战。在不久以前，并没有太多可靠的技术可以为偏远地区的大量边缘设备提供有效的电力支持。如今，微型化的电池技术、能量采集技术和高密度储能技术的发展和应用，为边缘设备的大规模部署和应用提供了可靠的保障。

能源管理涉及的范围比较广，我们仅对物联网和边缘计算相关的能源供应技术进行介绍。边缘计算能源管理需要考虑的方面有：传感器能量的供应，数据采集的频率，无线通信的信号强度和范围，计算设备处理器的性能和工作主频，能源的泄漏和低效的供电，伺服器和电机的储能，等等。

边缘计算领域常用到的能量存储目前主要是以锂电池为主，从大型的集装箱式储能装置到嵌入设备中的小型电池单元都会用到锂电池技术。当然，广义上很多其他类型的储能技术，包括物理储能技术，在某些情况下也有可能被使用，但是这些内容过于庞杂，而且在边缘计算领域中并不主流。

电池的供电电压和剩余电量之间的关系不是线性的，因此配置或开发合适的电池管理系统（BMS）常常是整个储能系统的关键所在。在设置整个边缘计算系统时，需要考虑整个系统需要的电能供应量和供应方式，然后再考虑功能和成本，设计出合适的综合供能方式。

1．电池技术

电池的容量单位用安培小时（Ah）来表示，简单的电池剩余使用时间预测公式如下。

式中，Cp表示Peukert电池容量；I表示放电电流；n为Peukert指数，通常在1.1到1.3之间。铅酸电池的容量变换特性如图1-6所示。当然，Peukert指数的值也会受到输出温度、湿度等外界因素的影响。Peukert效应描述了电池在高放电速率下容量减小的现象，即电池在高电流下放电时，其可用容量通常比在低电流下放电时要小。总体来说，锂电池受Perkert效应的影响比铅酸电池要小。

另外一个用于衡量电池性能的指标是电压和电池容量的关系，最好的情况是电压不会因为电池当前容量的变化而变化。但是，实际上是不可能的，电压和电池容量的关系绘制成图形都是一条曲线。没有放电之前的电压最高，放电后的电压最低，而且在电量将要用完之前，电池电压往往会有一个阶跃式的下降，这会对电池性能造成很大的影响。因此，大多数情况下，电池管理系统应该在电压到某个阈值时就切断电流。如图1-7所示，不同类型电池的容量和电压特性曲线的区别非常大。

从图1-7中可以看出，锂电池在电压性能（工作电压较高）和电压平稳性（曲线比较平直）上比铅酸电池和镍铬、镍氢电池都要优良很多，只是在放电过程末端会有一个比较大的电压下降。根据目前的电池技术，在条件允许的情况下，使用锂电池作为电源是比较好的选择。另外，虽然电压和电池容量不是线性关系，但是可以通过训练非线性模型来估算电池的剩余电量。不过，不同厂家、不同批次，甚至同一批次的电池由于保存状况或使用次数的不同，它们的容量和电压特性曲线都不一样。因此，要比较准确地估计电池的剩余电量，必须通过观察记录该电池多次完整的充放电周期，才能获得比较精确的曲线，从而较准确地估计剩余电量。

2．能源采集

能源采集指的是通过收集环境中的能量，来为设备提供电力。在环境中，有很多能量可以转换成电能，比如温度差、光能、电磁场等。这些能量是很多低功耗边缘设备或物联网设备的主要或辅助供电来源。这种需要采集环境能量的系统，通常都需要比较高效的能源管理系统来捕获和存储电力，同时在不需要用电的情况下关闭设备的非必要功能以节省电力。

目前比较常见的能量采集方式有太阳能、压电效应、热能、无线电射频等。有大量的低功耗物联网和边缘设备适用于通过采集额外电能来延长工作时间，甚至在生命周期中一直保持电能供应。通常，100mW以下的单独模块或硬件都能够受益于能源采集技术，包括GPS定位、蓝牙传输、微型传感器、遥控设备、射频识别（RFID）标签、小型计算器、实时时钟、处于待机模式的微处理器等。

太阳能是一种非常重要的新能源类型，在当今世界的能源体系中发展特别快。事实上，低功耗边缘设备可以使用的光源类型不只有太阳能，任何自然或人工的光源都是可以利用的。半导体光伏效应是光能采集的技术基础，太阳能采集是将巨大的半导体阵列板放置在能够接收到太阳光的地方，从而产生电能。在比较偏远但是日光资源比较丰富的地区，太阳能是非常好的电力解决方案。

不过，由于太阳能的不稳定性及昼夜的变化，在配置太阳能接收和转换设备的同时，也必须采购和安装储能装置，以便将电能错峰平谷。我国相对偏远并且人口密度较低的西北和东北等地的太阳能资源比较丰富。因此，如果是这些地区的项目，其实可以考虑将全部或部分能源采集自光能。

压电效应也是获取环境能量的技术手段之一。压电效应是指一些电介质材料在沿一定方向受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。如果反复不断地给予压力，则能够通过电路采集到电流并存储能量。因此，各种运动、振动甚至声压产生的机械张力都可以通过压电效应转化为能量。能量收集设备可以将机器、道路和其他基础设施产生的振动、压力和机械能转换成电能。这些能量来源可以产生毫安级的电流，适用于一些有能量存储的极小型边缘设备和系统，产生毫安级电流的过程可以使用微电子机械系统（MEMS）、静电或电磁系统来完成。压电能量收集的原理公式如下。

式中，Q为平面恒定电荷的大小，V为恒定电压，C代表压电材料间的电容。能量E的大小与产生的平面恒定电荷平方Q2成正比，与压电电容C成反比。图1-8所示是压电能量收集器件的原理，图1-8（a）采用的是双层压电材料，图1-8（b）采用的是单层压电材料。

温度差形成的热能也可以作为一种辅助的能量获取手段，能够被边缘设备利用的热能转化手段，主要是利用塞贝克效应的热电转换器件完成的。热电转换器通常被称为热电偶或热电发生器（TEG）。塞贝克效应又称为第一热电效应，是指由于两种不同的电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。这种原理也可以用在给可穿戴设备供电上，人体温度和空气温度就能够形成一定的温度差，从而产生能量给设备供能。

常用的热电转换元件能够在5℃的温差上产生3V、40µW的电能输出。现代主流热电转换装置一般都是采用N型和P型的碲化铋半导体，一端电极接触或靠近热源，另一端连接绝缘底座。如图1-9所示，P型半导体在冷端产生带正电的空穴，而N型半导体在冷端产生带负电的电子，然后用导线将两电极连接起来，就产生了电流。