设计切实可行的压电能和热能收集方案需考虑的因素

作者：凌力尔特公司波士顿设计中心应用经理 Brian Shaffer

引言
目前在能量收集市场上推出的新型器件能将低至数十微瓦的收集能量转换成可用电压，随着这类器件的推出，该市场正在快速发展。这类器件或者利用一个调谐磁性传感器靠低至 10mg 的振动启动，或者靠热电发生器等低阻抗电源通过 1℃ 的温度差产生的 ≥ 20mV 的电压启动。有可能受益于能量收集的应用很多，包括飞机结构状况监视、资产跟踪、资产监视、楼宇温度和照明控制、工厂自动化、工业过程监视、汽车电子收费系统、轮胎压力监视系统、边缘监视以及总之其它任何需要监视但又难以检修的远程应用。诸如 Tadiran 等电池制造商提供的电池有 20 年的寿命，因此电池的寿命与系统中电子产品的预期寿命一样长。通过给已有电池供电的传感器增加能量收集功能，电池的寿命就有可能延长到产品的有效寿命，从而使拥有电池和能量收集器的系统就像拥有一个通过导线供电的系统一样容易和经济。
电池供电的无线传感器节点
 
图 1：电池供电的无线传感器节点

SENSOR = 传感器
TRANSCEIVER = 收发器
POWER = 电源

图 1 显示了一个典型电池供电型的无线传感器节点 (WSN) 的架构。电池需要以某种标准检修时间间隔更换，以保证正确地向主机报告数据。与派遣检修技术员到无线传感器节点所在地所需费用相比，更换电池的费用微不足道。在上面提到的应用中，可能需要很多 WSN，而为了确保所有传感器节点都得到定期检修，这么多 WSN 可能导致需要一个专职技术员。理想的 WSN 系统应该无需定期进行现场检修，而能自助维持运行，从而在寿命期内降低拥有成本。
压电电源的能量收集系统架构

图 2：压电电源的能量收集系统架构，a) 能量存储在输出端，b) 能量存储在输入端
Energy Source = 能源
Rectifier Circuit = 整流器电路
Charger = 充电器
Energy Storage = 能量存储
Voltage Regulator = 稳压器
Regulated Voltage(s) to WSN System = 提供给 WSN 系统的稳定电压

当用一个压电电源实现能量收集时，系统架构有两种选择：在电源管理解决方案的输出端或输入端存储收集的能量，如图 2a 和 2b 所示。在电源管理系统的输出端存储能量的好处包括： (1) 低压能量存储允许使用现成的低成本组件； (2) 由于电压较低，因此可用超级电容器或电池作为存储组件； (3) 因为输出仅需要产生低压，所以收集器可以从较小的振动积累能量； (4) 通过改变充电电流，充电器可以实现阻抗匹配，以优化压电电源的功率输出。在输出端存储能量的主要缺点是，低电压需要大的电容值，而且如果电容器选择不当，那么泄漏电流可能变得无法抗拒。就能量存储在输入端而言，多个并联的陶瓷电容器一般能以最小的泄漏电流提供充足的能量存储。在电源管理系统输入端存储能量的好处包括： (1) 可利用高压能量存储，这种能量存储就一定量的能量而言，由于电压的平方与电容器中存储的能量相关 (E = ½ * C * V2)，所以需要的电容小得多； (2) 高压陶瓷电容器具有非常低的泄漏电流； (3) 在输入端的能量存储可与输出端的超级电容器和/或电池结合，以延长最后关头的运行时间。在输入端存储能量的缺点是，该电源将需要更多的振动能量以实现所需的更高输入电压，而且没有可受控执行阻抗匹配的充电器级，而这种匹配可优化来自该电源的能量输出。

振动源的能量收集
一般来说，振动源的频率和的振幅均各不相同。但是，由于许多振动源都是由线路输入电压供电的，因此在美国，常见的振动频率为 60Hz 和 120Hz。在大型机器中，机械共振起主要作用，而且频率往往较低，如在 13Hz 至 70Hz 之间。表 1 列出了各种不同的振动源及其峰值共振频率以及有关的加速度和"g 值 (g-level) "。术语 g 值用来代表相对于地球引力场的标准化加速度值。按照定义，1g 等于 9.8 m/s2 加速度。正如可以预料到的那样，通常都会最大限度地减小机器或汽车中的振动，以保持长寿命或舒适度。因此，能否靠非常小的振动而且在有些情况下是在存在很多不同的振动频率时使一个 WSN 运行，是区分同类解决方案的重要方面。

表 1：各种振动源的峰值加速度和谐振频率 (引用自：研讨会："RFID：传感器和能量收集"—"LIUC Carlo Cattaneo" —  2009 年 6 月 5 日)

在附装了一个压电器件并按图 3 所示进行模拟时，振动源 x(t) 的加速度等于位移的二阶导数，如 (1) 式 ~ (3) 式所述。

图 3：装有压电器件的振动源 x(t) 被模拟为悬臂梁和质量块 (proof mass)，Proof  Mass也被质量