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能让检测设备摆脱电池的热能收集技术

2022-12-29 14:47:00 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
能量收集(energy harvesting)是指从环境或系统本身,收集为电子设备供电所需的能量;更具体地说,热能收集是将收集自发热源的热能,转化为电能。

能量收集是指从环境或系统本身,收集为电子设备供电所需的能量;更具体地说,热能收集是将收集自发热源的热能,转化为电能。h0Kednc

热能收集的好处包括:h0Kednc

  • 可望免除配备电池,这对于便携设备和低功耗应用来说尤其重要。
  • 可望打造自给自足(从能源角度来看) 的物联网设备;这对开发不必利用充电电池即可连续运行的独立、移动设备至关重要。通过降低维护和电池更换的需求,热能收集可支持应用于偏远地区或大城市基础建设中不易触及的智能检测设备。
  • 可望为医疗和消费性应用带来打造全新可穿戴解决方案的机会。
  • 发展绿色能源技术,以减少石化燃料的使用与降低温室气体排放量。

应用

能量收集技术可用于为各种传感器和电子设备提供自主可再生能源,使其能够利用温差产生能量。利用效率越来越高的元器件,将为充分利用热能收集的新解决方案铺路。h0Kednc

在可穿戴系统中,用于热能收集技术的一个有趣方法是利用热能来产生一些小电流,这实际上利用的是人体温度和环境温度之间的温度差。无论是在自然环境还是人工环境中,到处都存在温度差。利用这些温差或梯度都可以产生热电能。h0Kednc

热能

根据能量守恒的物理定律,能量可能会从某种形式转变为另一种形式;因此从各种环境能源中取得能量是有可能的。h0Kednc

在人们生活周围的环境中,充满了温度和热量的变化。发动机废气产生的热、土壤产生的地热、钢铁厂冷却水产生的热,以及其他工业运转都是典型案例。利用热电发电机(TEG)和其他一些电子设备,就可以把热能转化为电能,还可以将之保留于储存设备中。TEG的基本原理是将热流(由温差引起)转换为电能,非常适合体积通常非常小、没有移动部件(固态)的低功耗嵌入式设备。h0Kednc

塞贝克效应

塞贝克效应(Seebeck effect,又称第一热电效应)是在某种材料两侧之间存在温度梯度时,电压因此产生的过程。TEG的基本组件是PN结,由热电材料P型半导体和N型半导体的单结构组成,每个结构电气串联连接,并掺杂硼(P型半导体)和磷(N型半导体)等杂质。h0Kednc

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图1:TEG本质上就是一个具有冷(c)热(h)两个表面的珀尔帖电池(Peltier cell)。h0Kednc

(来源:Power Electronics News)h0Kednc

 TEG模块的基本功能区块是几个串联的PN对,PN对在此配置中平行排列,以产生与温度梯度成比例的电压。要正常运作,设备的热(Th)侧和冷(Tc)侧必须处于不同的温度。热电材料的性能──由热电优值(thermoelectric figure of merit) ZT测得──通过以下公式计算:h0Kednc

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公式中,S是塞贝克系数,ρ是电阻率,λ是热导率,而T是测量热电性能的温度。ZT是在给定温度梯度下可产生的电能的量:材料的ZT值越高,热电性能越好。通过增加功率因数PF (PF=S2÷ρ),或降低热导率λ(λ=λeph)──λe和λph分别表示电子和声子(phononic)的贡献──都可以提高既定材料的热电性能。h0Kednc

塞贝克系数、电阻率和热导率是决定热过程效率的三个因素。这三个既不同却又相互依存的物理特性,共同构建卓越性能。因此,很难或不可能在不损害另一个的情况下,改进其中任何一个。唯一可以自由调节而不会对其他量产生影响的量是λph(T);因此,缩小尺寸是提高整体效率最有效的策略。h0Kednc

材料

以电池为基础的解决方案每天都在变得更有效率也更小,对于一些低功耗应用,如物联网传感器,再进一步提高电池寿命已不太可能。因此,这些设备将从能量收集技术中受益匪浅。对能量收集的兴趣引发了互补技术的发展,包括皮瓦等级超低功率微电子组件和超级冷凝器(supercondenser)。h0Kednc

一种优异的热电材料必须具有较强的塞贝克效应,导电性能应该尽可能地好,而导热特性则应该尽可能地差。但很难找到一种符合所有这些要求的材料,因为导电性和导热性通常是齐头并进的。h0Kednc

研究人员最近成功开发了一种ZT值在5~6之间的新型材料,由铁、钒、钨和铝的薄层组成,可应用于硅晶体,可望为传感器电源行业带来革命性的变化,使传感器能够从环境中自行发电。根据可用的温度梯度,TEG每平方厘米可产生20μW~10mW的功率。h0Kednc

设计技巧

目前市场上已有几款适用热能收集的集成电路,包括TI的BQ25570,能够从TEG中提取微瓦到毫瓦级的功率,还有比利时e-peas的AEM10941,以及ADI和Renesas的其他IC。BQ25570整合了电源管理系统,通过使用双电路来提高电压,同时防止电池过充或爆炸。所收集的能量则可以储存在可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或传统电容器中。h0Kednc

超级电容器是能量收集被有效应用的技术前提,它们是具有极高容量的电容器,同时具有电解电容器和可充电电池的功能特性。然而,它们每单位体积或质量的能量储存量,比电解电容器多10倍、甚至是100倍,电荷累积速度远高于充电电池的典型速度,充放电循环次数也比可充电电池更多。h0Kednc

当TEG板之间存在足够的温差,从而在其端子上产生电压时,热点转换程序就会开始。BQ25570包括一个升压充电器和一个纳米功率降压转换器(参考图2),可以提取功率,功率大小根据温差而变化,从μW到mW级不等。由于内置升压转换器,输出电压随后被升压到3.3V,效率可达93%。h0Kednc

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图2:BQ25570超低功率收集器PMIC电路图。h0Kednc

(来源:TI)h0Kednc

有两种方法可以储存能量收集来的电力:使用电容器或电池来储存电荷。当使用传统电容器或超级电容器时,有一些指南可帮助设计工程师做选择:h0Kednc

  • 选择低ESR (<200mΩ)的电容。
  • 1.2V时的泄漏电流必须小于1μA。
  • 大型电容器充电较慢,但可以储存大量电荷;另一方面,小型电容充电非常快,增加了启动时间。

取决于应用,电容值可通过以下公式求得:h0Kednc

C = 15×VOUT×IOUT×TONh0Kednc

其中,VOUT是能量收集传感器的输出电压,IOUT是来自能量收集传感器的平均输出电流,TON是IC接通时间。如果传感器无法提供足够电力,储存电容器能让系统维持一定时间。h0Kednc

热电能量收集器的功率调节也非常重要,即使以最大功率运作,热电产生器的输出电压也很小,因为它的电压很低。当能量收集器为电池充电时,电源调节电路会保护电池避免过充。同样,当温度变化时,功率调节用于稳定输出电压。h0Kednc

通过许多因素,包括输入阻抗、功率控制和滤波,调节电路在能量收集系统中扮演关键角色。换能器(无论是热、太阳光电还是振动发电源)、电源调节电路、微控制器和储存设备(超级电容器)都是不可或缺的组件。h0Kednc

(本文编译自EDN姊妹网站EE Times美国版,参考链接:New Thermoelectric Material Has Huge IoT Potential)h0Kednc

责编:Ricardo
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