物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集熱能和振動能量的方式介紹

先進的電源管理是保持數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵。能量收集解決方案的使用可以成為物聯(lián)網(wǎng)超低功耗解決方案的一個重要轉(zhuǎn)折點。

實現(xiàn)所謂的零功率傳感器需要從環(huán)境中獲取能量。縮小對可用能源的選擇范圍，下一個標準將是可用能源和所需能源的數(shù)量。

例如，太陽能和風能的收集可以為高功率解決方案提供堅實的基礎(chǔ)。

與此同時，熱能往往很容易從發(fā)動機、機器和其他來源的副產(chǎn)品中得到。熱梯度收集是指獲取環(huán)境熱量并加以利用的過程。在很多方面利用能源環(huán)境現(xiàn)象，使用壓電設(shè)備振動轉(zhuǎn)換成電能似乎是行之有效的方法， 根據(jù)大小和建設(shè)密度，它有能力生產(chǎn)數(shù)百微瓦（？W / cm2）。

熱梯度

通過溫度梯度收集能量是使用熱電解決方案。熱電聯(lián)產(chǎn)的使用是有限的，因為它需要一個可變的溫度輸入，而其他可以提供幾十萬小時的不間斷運行，但效率很低。熱電解決方案是由佩爾蒂埃電池模塊所解決。

應用熱電解決方案有限公司創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Alfred Piggott說：“熱電材料的一些例子是碲化鉍、碲化鉛、三銻化鈷和硅鍺，它們可以提供良好的性能。使用這些材料，在一個理想的應用與適當設(shè)計的熱電發(fā)電機，可以達到高達9- 11%的效率。哪種材料是最好的取決于許多因素，但主要是根據(jù)應用、預算和熱電發(fā)電機的設(shè)計來決定?！?/p>

理想的熱電材料應具有較低的導熱系數(shù)、較高的導電性和較高的塞貝克系數(shù)。

這種能量收集的基礎(chǔ)上的熱電效應是德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克提出的。在熱電裝置中，當不同的溫度合在一起時就產(chǎn)生電壓。同樣地，施加電壓時也會產(chǎn)生溫差。材料或設(shè)備在單位溫度下產(chǎn)生電壓的能力稱為塞貝克效應。

通常用于創(chuàng)建p和n區(qū)域的材料（碲化鉍，或Bi2Te3）允許獲得每個細胞0.2mV/K的輸出電壓，而如果熱電轉(zhuǎn)換器使用多個雙p和n （20mV，在？T=10K使用10個細胞），則可獲得更高的值。電源的等效模型由帶有RT輸出電阻器的Thevenin發(fā)電機表示，可提供給負載的最大功率由電阻阻抗自適應Rload=RT獲得。

兩點之間的溫差導致熱能從最高溫度點流向最低溫度點。熱流將一直存在，直到達到熱平衡，并可用于收集可重復使用的能量。從熱交換中提取能量的過程受熱力學定律的支配。

后來，Jean Charles Athanase Peltier發(fā)現(xiàn)，使電流通過兩種不同導體的交叉點，就會發(fā)生加熱或冷卻。氣流的方向決定了溫度變化的方向，向上或向下。產(chǎn)生或吸收的熱量與電流有關(guān)，比例常數(shù)稱為佩爾蒂埃系數(shù)。

壓電效應

機械振動是為電子系統(tǒng)提供足夠能量的另一種方法。壓電換能器的振動通過使用特殊的質(zhì)量和允許移動的特殊系統(tǒng)，近年來在能量收集應用中得到了廣泛的應用。

壓電轉(zhuǎn)換器利用直接的壓電效應，即當受到機械應變時，某些晶體產(chǎn)生電位差的特性。這種效應發(fā)生在納米尺度，是可逆的。近年來，聚合物塑料基壓電材料（Pvdf）得到了廣泛的發(fā)展，并在不斷地尋找新材料和越來越先進的制造工藝。

壓電效應將動能以振動或沖擊的形式轉(zhuǎn)化為電能。壓電發(fā)電機（能量收割機）通過將浪費在環(huán)境中的振動能量轉(zhuǎn)化為可用的電能，提供了一種可靠的解決方案。它們是需要為電池、超級電容或直接為遠程傳感器系統(tǒng)充電的應用程序的理想選擇（圖1）。

S234-H5FR-1803XB壓電晶體轉(zhuǎn)換成電能的振動

系統(tǒng)的總體性能取決于諸多因素，如輸入振動、傳感器的幾何形狀和材料、引起振動的質(zhì)量、電子接口。因此，即使在早期的設(shè)計階段，也非常需要換能器和電路結(jié)行為的快速和可靠的定量估計，以優(yōu)化整個系統(tǒng)。

壓電效應的分析可以用下圖所示的電路來表示。

電感LM為等效慣性質(zhì)量;電容CM為換能器的彈性;電阻RM表示機械損耗。機械部分是由發(fā)電機FIN產(chǎn)生的力，相反的反饋力發(fā)生器α-VP，由電壓控制的輸出設(shè)備上開發(fā)能力的CP（逆壓電效應）。同時，機械速度？產(chǎn)生當前β？供應兩個電容輸出（壓電）的直接影響和其他可能的電氣負載連接到傳感器。因此，模型識別涉及以下六個獨立參數(shù)： LM ， CM ， RM ， CP ， α and β。α和β是熱系數(shù)相關(guān)的系統(tǒng)。

電源管理IC （PMIC）

溫差可以用來發(fā)電，從而利用在其他情況下會損失的多余熱量。太陽能和地熱系統(tǒng)的余熱可以被收集?？墒褂靡话慵矣秒娖鞯呐欧帕鳌?/p>

假設(shè)我們使用電池供電的無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備在一個由人體、烤箱、電機產(chǎn)生熱梯度的環(huán)境中運行。如果沒有能量收集，這些設(shè)備的電池就需要更換，因為它們會釋放能量，這就產(chǎn)生了運營成本。根據(jù)可用的溫度梯度，熱電發(fā)電機可以生成20？w？10 mw /平方厘米。

熱電發(fā)電機和壓電傳感器與適當?shù)腜MIC相結(jié)合，將在物聯(lián)網(wǎng)應用中為電池充電。

為了設(shè)計更好的熱電能量收集系統(tǒng)，有許多特性需要考慮。包括電氣和熱需求，使用合適的熱電材料，特定應用要考慮耐久性目標，產(chǎn)品銷售價格和工程預算。

振動是一種無處不在的能量來源。每個在路上的汽車會在柏油路上，在駕駛艙產(chǎn)生振動，如果我們考慮高速公路的長度和大量流動的汽車，從振動能夠獲得能量的想法似乎很有吸引力。

Maxim公司的MAX17710是低功耗高效能量采集充電和保護的完整系統(tǒng)，能管理輸出功率從1FW到100mW的能量采集器件。 它是行業(yè)首個IC集成的環(huán)境能量收集的電源管理的所有功能，充電和保護微能源電池以及（MECS），一個固態(tài)電池的形式。在超低電流水平運行時，MAX17710接受來自管理不善的能量與輸出范圍從100mW的水平1μW到收獲各種來源的能量。例子包括光（通過光電池捕獲），振動（由壓電元件捕獲），熱量由熱電發(fā)電機捕獲）和射頻（例如，近場通信（NFC））。

另一個PMIC是AEM30940，這是一個集成的能量管理子系統(tǒng)，它從熱力發(fā)電機、壓電發(fā)電機、微型渦輪發(fā)電機或高頻射頻輸入中提取直流能量，同時將能量存儲在可充電元件中，并為系統(tǒng)提供兩個獨立的調(diào)節(jié)電壓。它集成了一個超低功率的升壓轉(zhuǎn)換器來給存儲元件充電，比如鋰離子電池、薄膜電池或超級或傳統(tǒng)電容。它可以開始操作與空存儲元素輸入電壓至380 mv和輸入功率僅3μw。

LTC3588-1集成電路提供了一個完整的能量存儲解決方案，該方案針對壓電換能器等高阻抗發(fā)電機進行了優(yōu)化。它的特點是低損耗全波整流器和高效率的同步降壓轉(zhuǎn)換器，可以將能量從輸入的存儲設(shè)備傳輸?shù)捷敵龅恼{(diào)節(jié)電壓，能夠提供高達100mA的負載。它可在一個3mm×3mm的DFN或10導體的MSE進行封裝。

為了有效地設(shè)計一個完全自主的無線傳感器系統(tǒng)，你需要低功耗的微控制器和傳感器，它們在低能耗環(huán)境中消耗最少的電能。這種系統(tǒng)的電源解決方案可能包括在傳感器本身的本地環(huán)境中存儲可用的機械能、熱能或電磁能。

超級電容器是有效利用能量的技術(shù)前提。它們是容量非常大的電容器，同時具有電解電容器和可充電電池的功能特點，但每單位體積或質(zhì)量所能儲存的能量是電解電容器的10至100倍，并能以比一般可充電電池快得多的速度積聚電荷，而且比可充電電池毫發(fā)無損地經(jīng)歷更多的充放電循環(huán)。