物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集熱能和振動(dòng)能量的方式介紹

先進(jìn)的電源管理是保持?jǐn)?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(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)所謂的零功率傳感器需要從環(huán)境中獲取能量?？s小對(duì)可用能源的選擇范圍，下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將是可用能源和所需能源的數(shù)量。

例如，太陽(yáng)能和風(fēng)能的收集可以為高功率解決方案提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，熱能往往很容易從發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)器和其他來(lái)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(guò)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(dòng)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(guò)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?yàn)樗枰粋€(gè)可變的溫度輸入，而其他可以提供幾十萬(wàn)小時(shí)的不間斷運(yùn)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(yīng)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(shuō)：“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(gè)理想的應(yīng)用與適當(dāng)設(shè)計(jì)的熱電發(fā)電機(jī)，可以達(dá)到高達(dá)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(yīng)用、預(yù)算和熱電發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)決定?！?/p>

理想的熱電材料應(yīng)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)、較高的導(dǎo)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(yīng)是德國(guó)物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克提出的。在熱電裝置中，當(dāng)不同的溫度合在一起時(shí)就產(chǎn)生電壓。同樣地，施加電壓時(shí)也會(huì)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(yīng)。

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(gè)細(xì)胞0.2mV/K的輸出電壓，而如果熱電轉(zhuǎn)換器使用多個(gè)雙p和n （20mV，在？T=10K使用10個(gè)細(xì)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(jī)表示，可提供給負(fù)載的最大功率由電阻阻抗自適應(yīng)Rload=RT獲得。

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

后來(lái)，Jean Charles Athanase Peltier發(fā)現(xiàn)，使電流通過(guò)兩種不同導(dǎo)體的交叉點(diǎn)，就會(huì)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(yīng)

機(jī)械振動(dòng)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(dòng)通過(guò)使用特殊的質(zhì)量和允許移動(dòng)的特殊系統(tǒng)，近年來(lái)在能量收集應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。

壓電轉(zhuǎn)換器利用直接的壓電效應(yīng)，即當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)，某些晶體產(chǎn)生電位差的特性。這種效應(yīng)發(fā)生在納米尺度，是可逆的。近年來(lái)，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(lái)越先進(jìn)的制造工藝。

壓電效應(yīng)將動(dòng)能以振動(dòng)或沖擊的形式轉(zhuǎn)化為電能。壓電發(fā)電機(jī)（能量收割機(jī)）通過(guò)將浪費(fèi)在環(huán)境中的振動(dòng)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(jí)電容或直接為遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)充電的應(yīng)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(dòng)

系統(tǒng)的總體性能取決于諸多因素，如輸入振動(dòng)、傳感器的幾何形狀和材料、引起振動(dòng)的質(zhì)量、電子接口。因此，即使在早期的設(shè)計(jì)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(jì)，以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。

壓電效應(yīng)的分析可以用下圖所示的電路來(lái)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(jī)械損耗。機(jī)械部分是由發(fā)電機(jī)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(kāi)發(fā)能力的CP（逆壓電效應(yīng)）。同時(shí)，機(jī)械速度？產(chǎn)生當(dāng)前β？供應(yīng)兩個(gè)電容輸出（壓電）的直接影響和其他可能的電氣負(fù)載連接到傳感器。因此，模型識(shí)別涉及以下六個(gè)獨(dú)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(lái)發(fā)電，從而利用在其他情況下會(huì)損失的多余熱量。太陽(yáng)能和地?zé)嵯到y(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(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備在一個(gè)由人體、烤箱、電機(jī)產(chǎn)生熱梯度的環(huán)境中運(yùn)行。如果沒(méi)有能量收集，這些設(shè)備的電池就需要更換，因?yàn)樗鼈儠?huì)釋放能量，這就產(chǎn)生了運(yùn)營(yíng)成本。根據(jù)可用的溫度梯度，熱電發(fā)電機(jī)可以生成20？w？10 mw /平方厘米。

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

為了設(shè)計(jì)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(yīng)用要考慮耐久性目標(biāo)，產(chǎn)品銷售價(jià)格和工程預(yù)算。

振動(dòng)是一種無(wú)處不在的能量來(lái)源。每個(gè)在路上的汽車會(huì)在柏油路上，在駕駛艙產(chǎn)生振動(dòng)，如果我們考慮高速公路的長(zhǎng)度和大量流動(dòng)的汽車，從振動(dòng)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(hù)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(gè)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(hù)微能源電池以及（MECS），一個(gè)固態(tài)電池的形式。在超低電流水平運(yùn)行時(shí)，MAX17710接受來(lái)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(lái)源的能量。例子包括光（通過(guò)光電池捕獲），振動(dòng)（由壓電元件捕獲），熱量由熱電發(fā)電機(jī)捕獲）和射頻（例如，近場(chǎng)通信（NFC））。

另一個(gè)PMIC是AEM30940，這是一個(gè)集成的能量管理子系統(tǒng)，它從熱力發(fā)電機(jī)、壓電發(fā)電機(jī)、微型渦輪發(fā)電機(jī)或高頻射頻輸入中提取直流能量，同時(shí)將能量存儲(chǔ)在可充電元件中，并為系統(tǒng)提供兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)電壓。它集成了一個(gè)超低功率的升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)給存儲(chǔ)元件充電，比如鋰離子電池、薄膜電池或超級(jí)或傳統(tǒng)電容。它可以開(kāi)始操作與空存儲(chǔ)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(gè)完整的能量存儲(chǔ)解決方案，該方案針對(duì)壓電換能器等高阻抗發(fā)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。它的特點(diǎn)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(chǔ)設(shè)備傳輸?shù)捷敵龅恼{(diào)節(jié)電壓，能夠提供高達(dá)100mA的負(fù)載。它可在一個(gè)3mm×3mm的DFN或10導(dǎo)體的MSE進(jìn)行封裝。

為了有效地設(shè)計(jì)一個(gè)完全自主的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，你需要低功耗的微控制器和傳感器，它們?cè)诘湍芎沫h(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(chǔ)可用的機(jī)械能、熱能或電磁能。

超級(jí)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(shí)具有電解電容器和可充電電池的功能特點(diǎn)，但每單位體積或質(zhì)量所能儲(chǔ)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(wú)損地經(jīng)歷更多的充放電循環(huán)。