在以指数级增长的物联网节点中,如何为众多形形色色的节点固态设备提供能量,一直是业界待克服的挑战。另一方面,无论是在自然环境还是人工环境中,到处都存在温度差。如果将这些温差或梯度所产生的热流转换成电能,即可实现物联网设备的自供电。但如何转换?有哪些设计技巧?且看本文论述。

能量收集是指从环境或系统本身收集电子设备所需能量的能力。更具体地说,热能收集将从热源收集的热能转化为电能。

热能收集的好处包括:

可能省掉电池,这对于便携式设备和低功耗应用尤其重要。

创建自给自足物联网设备的可能性(从能源角度来看)。这对开发无需电池再充电、即可连续运行的独立和移动设备至关重要。通过降低维护和电池更换的需求,热能收集可支持智能传感应用于大都市基础设施内的偏远或难以到达的地点。

为医疗和消费应用创造新的可穿戴解决方案的机会。

发展绿色能源技术。这将导致化石燃料利用率和温室气体排放量下降。

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器件,将为充分利用热能收集的新解决方案铺平道路。

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。

热能

根据物理定律,系统的能量总是守恒的,只是能量有可能从一种形式转变为另一种形式。于是,从各种环境能源中获取能量是可能的。

在人们生活周围的环境中,充满了温度和热量的变化。发动机废料产生的热量、土壤产生的地热、钢铁厂冷却水产生的热量以及其他工业活动都是典型的例子。利用热电产生器(TEG)和其他一些电子设备,就可以把热能转化为电能,然后还可以将其保存在存储设备中。TEG的基本原理是热流(由温差引起)可以转换为电能。它非常适合体积通常非常小、并且没有运动部件的固态低功耗嵌入式设备。

塞贝克效应

塞贝克效应是当材料两侧之间存在温度梯度时产生电压的过程。TEG的基本元件是p-n结,它由热电材料p和n的单个结构组成,每个结构电气串联连接,并掺杂有硼(p)和磷(n)等杂质。

图1:TEG本质上就是一个具有冷热两个表面的珀尔贴电池(图片来源:电力电子新闻)

TEG模块的基本建构块是几个串联的p-n对。p-n对在此配置中平行排列,以产生与温度梯度成比例的电压。要正常工作,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ZT测得)由公式(1)给出:

ZT=S2T/σλ                (1)

式中,S是塞贝克系数,ρ是电阻率,λ是导热系数,而T是测量热电性能的温度。ZT测量在给定温度梯度下可以产生的电能量:材料的ZT值越高,其热电性能越好。通过增加功率因数PF(PF=S2÷ρ),或降低热导率λ(λ=λephλe和λph分别表示电子和声子贡献),都可以提高给定材料的热电性能。

塞贝克系数、电阻率和热导系数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的最有效的策略。

材料

基于电池的解决方案每天都在变得更小且更加有效。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,包括超低功率(皮瓦级)微电子和超冷凝。

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。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。

研究人员最近成功开发了一种ZT值在5到6之间的新型材料。这种新材料由一层薄薄的铁、钒、钨和铝组成,应用于硅晶体,从而传感器电源行业可能会彻底改变,使传感器能够从环境中自行发电。

根据可用的温度梯度,TEG每平方厘米可以产生20µW到10mW的功率。

设计技巧

目前市场上已有几款适用于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e-peas的AEM10941,以及ADI和瑞萨的其他集成电路。BQ25570集成有电源管理系统,该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。收集的能量可以存储到可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或传统电容器中。

超级电容器是有效应用能量收集的技术前提。它们是具有极高容量的电容器,同时具有电解电容器和充电电池的功能特性。然而,它们每单位体积或质量存储的能量比电解电容器多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,并且充放电循环次数比充电电池更多。

当TEG板之间存在足够的温差,从而在其端子上产生电压时,该过程开始。BQ25570包括一个升压充电器和一个纳米功率降压转换器(图2),它可以提取功率,功率大小根据温差而变化,从微瓦到毫瓦级不等。由于内置升压转换器,输出电压随后被升压到3.3V,效率可达到93%。

 

图2:BQ25570超低功率收集器PMIC电原理框图(图片来源:TI)

能量收集时,有两种方法可存储输入的能量:即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师进行选择:

选择ESR低(<200mΩ)的电容器

1.2V时的泄漏电流必须小于1μA

大型电容器充电较慢,但可以存储大量电荷。另一方面,小型电容器充电非常快,增加了启动时间。

根据应用情况,电容器值可通过公式(2)求得:

C=15×VOUT×IOUT×TON                   (2)

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的功率,存储电容器将使系统维持一定时间。

热电能量收集器的功率调节也非常重要。即使在最大功率运行时,热电产生器的输出电压也很小,因为它的电压很低。当能量采集器给电池充电时,电源调节电路会保护电池不会过充电。同样,当温度变化时,功率调节用于稳定输出电压。

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起着至关重要的作用。传感器(无论是热源、光伏源还是振动源)、电源调节电路、微控制器和存储设备(超级电容器)都是最关键的部件。

(参考原文:Design Considerations for Thermal Energy Harvesting)

本文为《电子工程专辑》2022年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

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