通過能量收集技術(shù)延長無線傳感器節(jié)點的電池續(xù)航

無線傳感器節(jié)點正越來越多地應(yīng)用于我們的日常生活中，因為它們適合在多種多樣以及難以到達的環(huán)境中使用。它們不需要接通電源，因為它們通常都連接到電池。然而，電池的續(xù)航能力是有限的，電量用完的電池必須進行更換或充電，但更換電池需要花費時間和精力，并可能產(chǎn)生非常高的成本。如果能延長電池續(xù)航時間，就可以避免這樣的問題，同時還意味著長壽命應(yīng)用也可以使用獨立的傳感器節(jié)點。這可以借助能量收集來實現(xiàn)。能量收集器可以從環(huán)境中收集可用的能量，如機械能、熱能或光伏能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。本文將展示不同的能量收集技術(shù)和有效存儲所收集的能量所需的電路。

能量收集技術(shù)

無線傳感器節(jié)點 (WSN) 可以感知、處理和傳輸特定的參數(shù)。它們對于環(huán)境和結(jié)構(gòu)監(jiān)測具有重要意義，在醫(yī)療領(lǐng)域也應(yīng)用于監(jiān)測人體健康。它們通常由電池供電，并且經(jīng)常長時間使用，所以電池續(xù)航時間對它們而言至關(guān)重要。

這些傳感器節(jié)點通常用在難以到達的地方，要在電量用完時進行充電或更換電池，會是一件非常昂貴的事情。目前有多種方法可以降低WSN能耗并大幅延長電池續(xù)航時間，包括調(diào)節(jié)WSN內(nèi)部的功耗，以及通過編程的方式根據(jù)忙閑度來控制其運行，使之在通常情況下持續(xù)運行在低功耗模式（深度睡眠）下，只在較短的時間內(nèi)激活以便執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、計算、測量和通信等任務(wù)。

許多新興應(yīng)用都需要數(shù)十年的網(wǎng)絡(luò)壽命，僅靠電池已經(jīng)難以滿足需求。如果要將無線傳感器部署到運行時間超出電池續(xù)航能力的長期應(yīng)用中，可以通過能量收集器來延長電池續(xù)航時間，確保WSN能夠自我供電，最終達到所需的續(xù)航時間，具體實現(xiàn)方式如 (圖1) 所示。

圖1：由能量收集供電的無線傳感器節(jié)點示意圖（圖源：貿(mào)澤電子）

要借助能量收集器為WSN供電，首先要調(diào)查可用的環(huán)境能量來源，主要包括光、熱、機械振動、射頻 (RF) 和風(fēng)。要將從這些能量來源收集的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，需要采用相?yīng)的換能裝置，例如通過光伏電池收集室內(nèi)照明能量、通過壓電元件收集振動能量，以及通過熱傳導(dǎo)發(fā)電機 (TEG) 收集溫差能量。隨后，需要通過電源管理電路將收集的能量儲存到電池或超級電容中。

電源管理

電源管理電路的目的是將能量收集器與傳感器節(jié)點連接起來，同時盡可能高效地轉(zhuǎn)化收集到的能量。在電源管理電路中，首先要考慮的是收集器的輸出電壓，因為不同類型能量收集器的輸出電壓是不同的，例如熱傳導(dǎo)發(fā)電機輸出的是毫伏級別的直流電壓，而壓電發(fā)電機輸出的是幾伏到幾十伏的交流電壓。對于后者，電源管理電路必須對能量收集器的輸出進行整流，并將電壓轉(zhuǎn)換至1.8V到3.6V之間，也就是傳感器節(jié)點的標準工作電壓。此外，電源管理電路的內(nèi)部阻抗必須匹配壓電發(fā)電機的阻抗（通常為數(shù)千歐至數(shù)兆歐），從而盡可能高效地傳輸能量。

整流

產(chǎn)生交流電壓的能量收集器種類包括電磁式（射頻）、電磁式（機械）、靜電式和壓電式，它們產(chǎn)生的交流電壓必須經(jīng)過整流才能供WSN使用。整流是電源管理電路所需的第一個部分，(圖2)所示即為連接到壓電元件的全波橋整流電路。

圖2：連接到壓電元件的整流電路（圖源：貿(mào)澤電子）

相比單二極管而言，橋式整流器是更受歡迎的選擇，因為它能提供全波整流，將交變電壓變換為直流脈動電壓。對于真正的二極管，必須要考慮正向電壓，硅二極管的正向電壓為0.7V，鍺二極管為0.3V，肖特基二極管僅為0.1V。電容Cr（圖2）用作平滑電容。在此例中，整流電壓以電能的形式儲存在電容器中，并為負載RL供電。

DC/DC轉(zhuǎn)換器

電源管理電路的另一大主要功能是調(diào)節(jié)能量收集器產(chǎn)生的電壓。如果電壓太低，就必須升高電壓；反之，如果電壓太高，就必須降低電壓。要讓W(xué)SN正常工作，就需要將工作電壓穩(wěn)定在1.8V和3.6V之間，并且要以盡可能高效的方式來進行，從而盡量降低能量損失。此外，電源管理電路還負責為WSN電池充電。為了簡化設(shè)計過程，有多種產(chǎn)品可用于處理由能量收集器供電的WSN的電源管理。

e-peas AEM10941是一款能量收集電源管理集成電路，可從最多7芯的太陽能面板中獲取直流電。該產(chǎn)品采用超低功率升壓轉(zhuǎn)換器，可以為鋰離子 (Li-ion) 電池、薄膜電池或超級電容充電。AEM10941具有超低功率冷啟動功能，可以在輸入電壓低至380mV、輸入功率僅3μW的情況下啟動工作。它有兩種電源電壓：

LVOUT（低壓），1.2V或1.8V，用于向微控制器供電。

HVOUT（高壓），可為無線電收發(fā)器供電，電壓可以在1.8V到4.1V之間進行配置。

兩種電源電壓選項的產(chǎn)品均采用高效的低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器驅(qū)動，以確保低噪聲和高穩(wěn)定性。(圖3)所示為AEM10941的典型應(yīng)用。

圖3：AEM10941應(yīng)用實例示意圖（圖源：e-peas）

Analog DevicesLTC3331是另一款多合一電源管理IC電路，可以連接到采用壓電、太陽能或磁力等能量來源的能量收集器。該產(chǎn)品集成了全波橋式整流器，并且結(jié)合了降壓開關(guān)穩(wěn)壓器和降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。此外，該產(chǎn)品配備片上優(yōu)先排序器，可根據(jù)收集的能量或電池的可用電量選擇合適的轉(zhuǎn)換器。LTC3331可以處理3V至19V之間的能量收集輸入電壓。該產(chǎn)品還包含低靜態(tài)電流并聯(lián)電池充電器，可利用收集的能量為鋰離子電池充電。(圖4)所示為LTC3331典型應(yīng)用的電路示意圖。

圖4：LTC3331典型應(yīng)用電路示意圖（圖源：Analog Devices）

存儲

可充電電池和超級電容是最常出現(xiàn)的兩種儲能產(chǎn)品。超級電容類似于傳統(tǒng)的電容器，但它們能夠以較小的尺寸實現(xiàn)非常高的容量，并且與可充電電池相比具有若干優(yōu)勢，例如：

超級電容可以根據(jù)需要頻繁充放電，而電化學(xué)電池的典型壽命不足1000次。

超級電容可以通過簡單的充電電路快速充電，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且無需借助保護電路來防止過度充電或過度放電。

漏電流和自放電對電池和超級電容都會構(gòu)成影響。電池的優(yōu)點是自放電問題比超級電容小得多，因為電池的比能較高，可以使電荷保持更長時間。

結(jié)論

現(xiàn)在，我面需要提出的問題是：能量收集值得嗎？這取決于你想要運行多長時間的應(yīng)用。可以確定的是，能量收集確實可以延長電池續(xù)航，以支持WSN運行更長時間，但只有當收集的能量能夠滿足WSN的功耗時才可行。

審核編輯：郭婷