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利用热能和振动能为IoT设备供电

2022-05-11 10:07:56 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
热量作为来自发动机、机器和其他来源的浪费副产物通常很容易获得。热梯度采集是捕获环境热量并将其投入使用的过程。在利用环境现象获取能量的众多方法中,利用压电器件将振动转化为电能的方法似乎特别有效,根据尺寸和结构,它能够产生数百微瓦的电能。

实现所谓的零功率传感器,需要从环境中的能量源采集能量。在将自己的选择范围缩小到可用的能量源之后,下一个标准将是可用的能量大小和所需的能量大小。太阳能和风能采集可为大功率解决方案提供坚实的基础。热量作为来自发动机、机器和其他来源的浪费副产物通常很容易获得。热梯度采集是捕获环境热量并将其投入使用的过程。在利用环境现象获取能量的众多方法中,利用压电器件将振动转化为电能的方法似乎特别有效,根据尺寸和结构,它能够产生数百微瓦的电能(µW/cm2)。gN5ednc

温度梯度

通过温度梯度采集能量,是利用热释电和热电解决方案实现的。热释电的应用有限,因为它需要有可变的温度输入,而其他方法则可以提供数十万小时的不间断工作,但效率很低。热电解决方案是由帕尔贴元件实现的。gN5ednc

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图1:S234-H5FR-1803XB压电晶体将振动转化为电能。(图片来源:Piezo.com)gN5ednc

“典型的热电材料有碲化铋、碲化铅、三锑化钴和硅锗,所有这些材料都能提供良好的性能。”Applied Thermoelectric Solutions公司创始人兼首席技术官Alfred Piggott表示,“使用这些材料,热电发电器在设计合理的情况下,可以在理想应用中实现高达9%至11%的效率。哪种材料最好,取决于许多考虑因素,但主要取决于热传导发电器的应用、预算和设计。”gN5ednc

理想的热电材料应具有低热导率、高电导率和高塞贝克系数。利用热电效应实现能量采集,要归功于Thomas Johann Seebeck。在热电装置中,当不同的温度结合时就会产生电压。同样,当施加电压时也会产生温差。材料或器件在单位温度下产生电压的能力被称为塞贝克效应。gN5ednc

通常,用于创建P区和N区的材料可实现每个元件的输出电压为0.2mV/K(碲化铋,Bi2Te3),而如果热电变换器使用多个PN对,则可以获得更高的值(在ΔT=10K下使用10个元件时可产生20mV的电压)。源的等效模型可用带有RT输出电阻的戴维南发电机表示,可提供给负载的最大功率则可通过阻抗适配Rload=RT获得。gN5ednc

两点之间的温差导致热能从最高温度点流向最低温度点。在达到热平衡之前,热量将一直流动,并可用来采集可重复使用的能量。从热交换中提取能量的过程受热力学定律支配。gN5ednc

Jean Charles Athanase Peltier发现,当两个导体的交叉点有电流流过时,就会发生加热或冷却。无论是向上还是向下,电流的方向决定了温度变化的方向。产生或吸收的热量与电流有关,这个比例常数称为帕尔贴系数。gN5ednc

压电效应

机械振动是另一种为电子系统提供充足能源解决方案的方法。通过使用允许运动的特殊质量和特殊系统的压电换能器的振动,已被广泛应用于能量采集应用中。gN5ednc

压电转换器利用了直接压电效应,即某些晶体在受到机械应变时会产生电位差的特性。这种效应发生在纳米级并且是可逆的。最近,聚合物塑料基压电材料(如聚偏二氟乙烯或PVDF)已被开发出来,并且业界正在努力寻找新材料和开发更先进的制造工艺。gN5ednc

压电效应将振动或冲击形式的动能转化为电能。压电发电器(能量采集器)通过将通常浪费到环境中的振动能量转化为可用的电能,提供了一种鲁棒可靠的解决方案。它们非常适合需要为电池充电、为超级电容器供电或直接为远程传感器系统供电的应用(图1)。gN5ednc

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图2:压电效应的等效电路。(图片来源:“A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics.”Smart Materials and Structures 13 (2004) 1131-1142)gN5ednc

系统的总体性能取决于许多因素,例如输入振动、换能器的几何形状和材料,引起振动的质量,以及电子接口。由于这个原因,即使在早期设计阶段,也强烈希望对换能器和电路结行为进行快速、可靠的定量估计,以便优化整个系统。gN5ednc

压电效应的分析可以用图2所示的电路来概括。电感LM代表等效惯性质量,电容CM代表换能器的弹性,电阻器RM代表机械损耗。机械部分由力发生器FIN提供动力,这与反馈力发生器α-VP相反,后者由电容CP上器件输出上产生的电压控制(逆压电效应)。同时,机械速度ż会产生电流βż,用于提供电容输出(压电的直接影响)和连接到换能器的其他可能的电气负载。因此,模型识别涉及独立参数LM、CM、RM、CP、α和β。α和β是与系统相关的热系数。gN5ednc

电源管理IC

可以利用温差来发电。太阳热能和地热系统产生的废热,甚至家用电器产生的排放流都可以被采集起来。gN5ednc

假设我们使用电池供电的无线IoT设备,它们在由人体、烤箱和发动机产生的温度梯度的环境中运行。如果没有能量采集,此类设备的电池就需要更换,因为它们会释放能量。这就会产生运营成本。根据可用的温度梯度,热电发电器(TEG)可产生20µW/cm²至10mW/cm²的功率。TEG和压电传感器与PMIC相结合,可以为IoT设备中的电池充电。gN5ednc

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图3:MAX17710的简化工作电路图。(图片来源:Maxim)gN5ednc

“热电能量采集系统的设计考虑因素包括电气和热能要求、热电材料、特定应用的考虑因素、耐久性目标、销售价格和工程预算。”Piggott表示。振动是一种无处不在的能量源。路上的每辆车都会在沥青路面和驾驶室内产生震动。考虑到世界高速公路上的汽车数量,显而易见,从振动中获取能量是很有吸引力的。gN5ednc

美信(Maxim)的 MAX17710 PMIC是一款用于为微功率存储电池提供充电和保护的完整系统,也可以用它来管理稳压不良的电源,例如输出范围为1µW至100mW的采集器件(图3)。gN5ednc

e-peas公司的AEM30940集成能量管理子系统用于从TEG、压电发电器、微型涡轮发电器或高频RF输入中提取直流电,同时将能量存储在可充电元件中,并为系统提供两个独立的稳压电压。该PMIC集成了一个超低功率升压转换器,为锂离子电池、薄膜电池或超级电容器或传统电容器存储元件充电。它可以在输入电压低至380mV、输入功率仅为3μW的情况下开始运行(图4)。gN5ednc

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图4:AEM30940的典型应用电路。(图片来源:e-peas)gN5ednc

图5所示的LTC3588-1 IC提供了一种完整的能量存储解决方案,它针对压电传感器等高阻抗发生器进行了优化。这个ADI公司电路具有一个低损耗全波整流器和一个高效同步降压转换器,可将输入端存储器件的能量传输到能够为高达100mA的负载供电的稳压输出端。它采用3mm×3mm DFN或10导体MSE封装。gN5ednc

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图5:完整的能量存储解决方案,针对压电传感器等高阻抗发生器进行了优化。(图片来源:ADI)gN5ednc

为了有效地设计完全自主的无线传感器系统,需要使用低功耗MCU和传感器,在低功耗环境中消耗最少的电量。此类系统的电源解决方案可能包括存储传感器本身的本地环境中可用的机械能、热能或电磁能。gN5ednc

超级电容是能量采集的技术先决条件。它们具有电解电容和可充电电池的功能特性,但每单位体积或质量可存储比普通电解电容多10到100倍的能量。与典型的可充电电池相比,它们能以更高的速度积累电荷,并能承受更多的充放电循环次数。gN5ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EE Times,参考链接:Thermal and Vibration Energy Powers IoT Devices,由Franklin Zhao编译。)gN5ednc

本文为《电子技术设计》2022年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里gN5ednc

责编:Franklin
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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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