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2023-07-23
移动式系统中的能量需求级别
【摘要】：在之前的两小节中，能源的需求是以功率的形式表述的。移动式系统的能量需求等级跨越了几个数量级，从纳焦级一直到兆焦级。此外，对于不同的应用系统，所使用的能量单位也有所不同。这个等级的能量需求常出现于ZigBee等工业无线通信系统中。图4-3 IT业的技术性能进化过程因而，在低功耗等级的系统应用中，我们能够计算出传输信息所需的能量。一台笔记本电脑通常需要连续工作2～6h，对应的能量为几百千焦。
在之前的两小节中，能源的需求是以功率的形式表述的。然而，对于移动式系统来说，能量往往是一个比功率更为重要的参数，因为它决定了系统能够持续工作的时间。移动式系统的能量需求等级跨越了几个数量级，从纳焦（nJ）级一直到兆焦（MJ）级。此外，对于不同的应用系统，所使用的能量单位也有所不同。如在无线通信中常使用纳焦，而在笔记本电脑的电池中，则采用安时或毫安时及电压来表达。
图4-2 移动式电子设备的能量需求与可能的供能系统
图4-3 IT业的技术性能进化过程（最下面的曲线为电池）
因而，在低功耗等级的系统应用中，我们能够计算出传输信息所需的能量。如在无线通信系统中，现在的功耗大约是每传输1bit信息需要5～20nJ。而在一些工业设备中，往往需要传输数个8位字节的带冗余的编码信息，传输距离数十米，所需的能量大约为500μJ。这个等级的能量需求常出现于ZigBee等工业无线通信系统中。
有一些电子设备尽管消耗的功率非常微弱，但往往需要较多的存储能量。例如，一个心脏起搏器每个脉冲消耗25μJ的能量。但在其十几年的寿命周期内，所需要的电池能量大约为20kJ（2.8V，2A·h）。
对于无人飞行器（UAV）或笔记本电脑，根据它们的工作需求，需要在电池的功率和储能两个特性之间进行折中。一台笔记本电脑通常需要连续工作2～6h，对应的能量为几百千焦（戴尔Dell D600笔记本电脑的电池为4.7A·h，11.1V，180kJ）。一架无人机根据任务及地形的不同，需要飞行10min～2h，而且对电池有重量的限制，这一点比笔记本电脑更加苛刻。在这种应用条件下，电池的一个非常重要的性能指标是比能量。
以锂聚合物电池为例，在极限的使用条件下，目前可获取的比能量大约为140W·h/kg。当这个级别的比能量明显不足，而又无法通过充电来获得能量的增加时，可以采用其他比能量更大的电池，如锌-空电池，其比能量高达370W·h/kg（锌-空电池现在已经用在一些助听设备上了）。
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