如何为物联网设备收集热能和振动能量

翻译自——EEtimes ，Maurizio Di Paolo Emilio

先进的电源管理是保持数字技术快速发展的关键。能量收集解决方案的使用可以成为物联网超低功耗解决方案的一个重要转折点。

实现所谓的零功率传感器需要从环境中获取能量。缩小对可用能源的选择范围，下一个标准将是可用能源和所需能源的数量。

例如，太阳能和风能的收集可以为高功率解决方案提供坚实的基础。

与此同时，热能往往很容易从发动机、机器和其他来源的副产品中得到。热梯度收集是指获取环境热量并加以利用的过程。在很多方面利用能源环境现象,使用压电设备振动转换成电能似乎是行之有效的方法, 根据大小和建设密度，它有能力生产数百微瓦(?W / cm2)。

热梯度

通过温度梯度收集能量是使用热电解决方案。热电联产的使用是有限的，因为它需要一个可变的温度输入，而其他可以提供几十万小时的不间断运行，但效率很低。热电解决方案是由佩尔蒂埃电池模块所解决。

应用热电解决方案有限公司创始人兼首席技术官Alfred Piggott说:“热电材料的一些例子是碲化铋、碲化铅、三锑化钴和硅锗，它们可以提供良好的性能。使用这些材料，在一个理想的应用与适当设计的热电发电机，可以达到高达9- 11%的效率。哪种材料是最好的取决于许多因素，但主要是根据应用、预算和热电发电机的设计来决定。"

理想的热电材料应具有较低的导热系数、较高的导电性和较高的塞贝克系数。

这种能量收集的基础上的热电效应是德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克提出的。在热电装置中，当不同的温度合在一起时就产生电压。同样地，施加电压时也会产生温差。材料或设备在单位温度下产生电压的能力称为塞贝克效应。

通常用于创建p和n区域的材料(碲化铋，或Bi2Te3)允许获得每个细胞0.2mV/K的输出电压，而如果热电转换器使用多个双p和n (20mV，在?T=10K使用10个细胞)，则可获得更高的值。电源的等效模型由带有RT输出电阻器的Thevenin发电机表示，可提供给负载的最大功率由电阻阻抗自适应Rload=RT获得。

两点之间的温差导致热能从最高温度点流向最低温度点。热流将一直存在，直到达到热平衡，并可用于收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的支配。

后来，Jean Charles Athanase Peltier发现，使电流通过两种不同导体的交叉点，就会发生加热或冷却。气流的方向决定了温度变化的方向，向上或向下。产生或吸收的热量与电流有关，比例常数称为佩尔蒂埃系数。

压电效应

机械振动是为电子系统提供足够能量的另一种方法。压电换能器的振动通过使用特殊的质量和允许移动的特殊系统，近年来在能量收集应用中得到了广泛的应用。

压电转换器利用直接的压电效应，即当受到机械应变时，某些晶体产生电位差的特性。这种效应发生在纳米尺度，是可逆的。近年来，聚合物塑料基压电材料(Pvdf)得到了广泛的发展，并在不断地寻找新材料和越来越先进的制造工艺。

压电效应将动能以振动或冲击的形式转化为电能。压电发电机(能量收割机)通过将浪费在环境中的振动能量转化为可用的电能，提供了一种可靠的解决方案。它们是需要为电池、超级电容或直接为远程传感器系统充电的应用程序的理想选择(图1)。

S234-H5FR-1803XB压电晶体转换成电能的振动

系统的总体性能取决于诸多因素，如输入振动、传感器的几何形状和材料、引起振动的质量、电子接口。因此，即使在早期的设计阶段，也非常需要换能器和电路结行为的快速和可靠的定量估计，以优化整个系统。

压电效应的分析可以用下图所示的电路来表示。

电感LM为等效惯性质量;电容CM为换能器的弹性;电阻RM表示机械损耗。机械部分是由发电机FIN产生的力,相反的反馈力发生器α-VP,由电压控制的输出设备上开发能力的CP(逆压电效应)。同时,机械速度?产生当前β?供应两个电容输出(压电)的直接影响和其他可能的电气负载连接到传感器。因此,模型识别涉及以下六个独立参数: LM , CM , RM , CP , α and β。α和β是热系数相关的系统。

电源管理IC (PMIC)

温差可以用来发电，从而利用在其他情况下会损失的多余热量。太阳能和地热系统的余热可以被收集。可使用一般家用电器的排放流。

假设我们使用电池供电的无线物联网设备，这些设备在一个由人体、烤箱、电机产生热梯度的环境中运行。如果没有能量收集，这些设备的电池就需要更换，因为它们会释放能量，这就产生了运营成本。根据可用的温度梯度,热电发电机可以生成20?w?10 mw /平方厘米。

热电发电机和压电传感器与适当的PMIC相结合，将在物联网应用中为电池充电。

为了设计更好的热电能量收集系统，有许多特性需要考虑。包括电气和热需求，使用合适的热电材料，特定应用要考虑耐久性目标，产品销售价格和工程预算。

振动是一种无处不在的能量来源。每个在路上的汽车会在柏油路上,在驾驶舱产生振动,如果我们考虑高速公路的长度和大量流动的汽车,从振动能够获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电和保护的完整系统,能管理输出功率从1FW到100mW的能量采集器件. 它是行业首个IC集成的环境能量收集的电源管理的所有功能，充电和保护微能源电池以及(MECS)，一个固态电池的形式。在超低电流水平运行时，MAX17710接受来自管理不善的能量与输出范围从100mW的水平1μW到收获各种来源的能量。例子包括光(通过光电池捕获)，振动(由压电元件捕获)，热量由热电发电机捕获)和射频(例如，近场通信(NFC))。

另一个PMIC是AEM30940，这是一个集成的能量管理子系统，它从热力发电机、压电发电机、微型涡轮发电机或高频射频输入中提取直流能量，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调节电压。它集成了一个超低功率的升压转换器来给存储元件充电，比如锂离子电池、薄膜电池或超级或传统电容。它可以开始操作与空存储元素输入电压至380 mv和输入功率仅3μw。

LTC3588-1集成电路提供了一个完整的能量存储解决方案，该方案针对压电换能器等高阻抗发电机进行了优化。它的特点是低损耗全波整流器和高效率的同步降压转换器，可以将能量从输入的存储设备传输到输出的调节电压，能够提供高达100mA的负载。它可在一个3mm×3mm的DFN或10导体的MSE进行封装。

为了有效地设计一个完全自主的无线传感器系统，你需要低功耗的微控制器和传感器，它们在低能耗环境中消耗最少的电能。这种系统的电源解决方案可能包括在传感器本身的本地环境中存储可用的机械能、热能或电磁能。

超级电容器是有效利用能量的技术前提。它们是容量非常大的电容器，同时具有电解电容器和可充电电池的功能特点，但每单位体积或质量所能储存的能量是电解电容器的10至100倍，并能以比一般可充电电池快得多的速度积聚电荷，而且比可充电电池毫发无损地经历更多的充放电循环。