王 兵，王 博，何豪杰，龍泉宇，尹 鵬

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽 712100)

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以及IT行業(yè)的蓬勃興起，無線傳感器得到了廣泛應(yīng)用。在一些特殊環(huán)境中，如高輻射、高溫、高空和高寒地區(qū)，不方便人類直接進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以通過安裝無線傳感器完成監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)傳輸[1-2]。此類無線傳感器大多需要工作數(shù)年甚至數(shù)十年之久，普通的電源難以維持其長(zhǎng)期工作，所以設(shè)計(jì)出適應(yīng)性強(qiáng)、能量利用效率高的獨(dú)立電源系統(tǒng)將會(huì)極大地?cái)U(kuò)大無線傳感器的應(yīng)用范圍。

孫曉東等[3]在研究自主發(fā)電系統(tǒng)時(shí)采用一種懸臂梁與附加質(zhì)量塊插入式連接的壓電振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)，分析了無線溫度信號(hào)的監(jiān)測(cè)和發(fā)送過程以及供電電壓在時(shí)間歷程上的區(qū)別；周艷麗等[4]對(duì)于太陽能電池板追蹤系統(tǒng)的研究，提高了太陽能利用效率；孫威等[5]對(duì)于熱冷端獨(dú)立的溫差發(fā)電系統(tǒng)的研究，提供了一種新型的半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法；王彩鋒等[6]提出對(duì)于不同能量形式的綜合利用，縮短了電池充電時(shí)間，增強(qiáng)了對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性。

本文采用BQ25504、LTC3588、LTC3109幾種芯片對(duì)能源進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的有效利用。儲(chǔ)能方面，采用鋰離子電容器加鈦酸鋰電池的兩級(jí)儲(chǔ)能方式，鋰離子電容器作為主要功能電源，鋰電池作為備用電源，可在能源極其匱乏的情況下持續(xù)供電，也擴(kuò)大了電氣設(shè)備使用的溫度范圍。

1 總體結(jié)構(gòu)

由于自然環(huán)境中的各種能量受天氣、季節(jié)影響較大，僅采用一種能量收集方式難以維持無線傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作[7]。通過各種能量密度的對(duì)比，本文選取了光能、熱能(溫差)和振動(dòng)能(或風(fēng)能形式)這幾種能量密度較大的能量進(jìn)行收集，上述3種能量的能量密度與收集難易程度如表1所示。以收集太陽能為主，溫差能和風(fēng)能(振動(dòng)能)為輔，并采用光致變形材料、溫差熱冷端獨(dú)立、弧形壓電換能器設(shè)計(jì)等方式盡可能多地收集能量，可因地制宜地選取一種或多種組合進(jìn)行使用，從而保障在各種環(huán)境下維持無線傳感器的長(zhǎng)期、穩(wěn)定供能[8]。

表1 能量密度及可收集性對(duì)比

本文的能量收集系統(tǒng)采取可選擇性能量收集的方式，主要有以下特點(diǎn)：

① 光致形變材料，在光亮增強(qiáng)時(shí)發(fā)生彎曲，調(diào)節(jié)太陽能電池板的方向角和方位角，使其向有陽光的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

② 溫差能量轉(zhuǎn)換器，利用熱端和冷端獨(dú)立的方法，擴(kuò)大溫差，使能量收集持續(xù)進(jìn)行。

③ 將壓電能量轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成弧形，可多方向、寬頻帶地收集振動(dòng)能(或風(fēng)能)。

④ 采用鋰離子電容器和鈦酸鋰電池組成兩級(jí)儲(chǔ)能，傳感器在特殊環(huán)境下可啟動(dòng)備用電源。而鋰離子電容器和鈦酸鋰電池具有較大的使用溫度范圍，可以在-30～60 ℃范圍內(nèi)使用，極大地延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

⑤ 基于BQ25504、LTC3588、LTC3109芯片的電路設(shè)計(jì)，既降低了功耗，又可收集到更多的能量。其中BQ25504可收集低至80 mV的能量。LTC3109的能量收集與極性無關(guān)，可收集溫差小于±1 ℃的能量?？稍诘椭痢?0 mV的輸入電壓條件下工作，收集能量所需的TEG兩端溫度差小于±1 ℃。

對(duì)于這3種能量的收集可選擇性搭配，既能快速獲取多種能量，又能廣泛地適應(yīng)各種環(huán)境。整體能量收集示意如圖1所示。

圖1 能量收集示意Fig.1 Schematic diagram of energy collection

由圖1可以看出，各收集裝置收集的能量分別利用BQ25504、LTC3588、LTC3109進(jìn)行處理，這3種芯片所具有的Buck-Boost電路、整流電路、MPPT追蹤等可將各種能量最大限度地收集并以設(shè)定值3.3 V輸送給DC-DC升壓電路，將電壓升至3.6 V儲(chǔ)存至鋰離子電容器中，然后由鋰離子電容器給鈦酸鋰電池和負(fù)載供電。在鋰離子電容器供能不足時(shí)，由鈦酸鋰電池對(duì)負(fù)載供電。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 能量選擇

在自然環(huán)境中，光能、熱能、風(fēng)能是3種能量密度較大的能源[9]，光能和熱能分別利用太陽能電池板和溫差能量收集器。風(fēng)能大多采取風(fēng)車式轉(zhuǎn)動(dòng)的收集方式，但由于轉(zhuǎn)動(dòng)的磨損會(huì)增加維護(hù)次數(shù)，故采用壓電換能器以振動(dòng)能的形式進(jìn)行收集。

2.2 光能收集

由于太陽的轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽能電池板對(duì)光能的收集會(huì)受到很大的影響[10]，所以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能方向的追蹤將會(huì)大大提高太陽能利用率[11]。蘇鑫[12]采用電機(jī)對(duì)太陽能進(jìn)行追蹤，但是由于成本較高、環(huán)境對(duì)電機(jī)損壞較大，這種方法不僅會(huì)消耗過多的能量，也會(huì)使成本大幅增加。所以本文采用光致變形材料對(duì)電機(jī)進(jìn)行替代，與不采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)相比，對(duì)陽光的利用率有所提高。

液晶彈性體具有液晶的各向異性，同時(shí)也具有聚合物網(wǎng)絡(luò)的彈性。在光照下這類材料只要有1%的偶氮苯介晶基元發(fā)生順反異構(gòu)，就會(huì)發(fā)生光致變形[13]。太陽能電池板安放如圖2所示，中間支柱對(duì)于電池板起主要支撐作用，頂部半球形設(shè)計(jì)有利于電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)。在陽光照射較強(qiáng)的方向，LEC材料發(fā)生彎曲，使電池板朝太陽方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變電池板的方向角和方位角。連接的彈簧對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)起緩沖作用，四周用不透光塑料薄膜隔絕光線，可降低對(duì)沒有直射的液晶彈性體材料的干擾，將電池等元件放置于薄膜內(nèi)的方形區(qū)域，保證了元件的清潔。

圖2 太陽能電池板安放Fig.2 Layout of solar panels

另外，由于太陽能電池板在使用時(shí)，如果上面有異物，會(huì)產(chǎn)生光斑效應(yīng)，極大地影響電池使用壽命。高雪峰等[14]研究的超疏水材料可起到防污的作用。所以在電池板表面宜覆蓋一層超疏水材料，在有露水或下雨時(shí)將電池板表面沖洗干凈，保證電池板的清潔，延長(zhǎng)其使用壽命。

2.3 溫差能量收集

現(xiàn)有的溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱端和冷端由于半導(dǎo)體體積和功能上的限制都是緊密連接在半導(dǎo)體兩端，并通過散熱模塊對(duì)冷源進(jìn)行散熱。而熱端和冷端的間距過短及散熱模塊的布置會(huì)在應(yīng)用中引起很多不便。所以針對(duì)這一技術(shù)缺陷，本研究采用熱端和冷端獨(dú)立式溫差發(fā)電系統(tǒng)[5]。

采用的溫差發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)連接原理圖如圖3所示。系統(tǒng)包括熱端、冷端、用電設(shè)備與電線。熱端可安置在太陽能電池板的背部或是其他溫度較高的地方，冷端可置于溫度較低的地方，通過導(dǎo)線進(jìn)行連接，從而保證了溫差發(fā)電的順利進(jìn)行。

圖3 溫差換能器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of thermoelectric transducer

2.4 壓電換能器

張松[15]在研究風(fēng)能的收集時(shí)采用葉片轉(zhuǎn)動(dòng)式，但是葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的磨損會(huì)極大地縮減風(fēng)力發(fā)電裝置的壽命。張傳娟[16]研究的壓電懸臂梁式振動(dòng)能量收集器則有空間小、磨損少和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),所以本文采用壓電材料制成的懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量換能器來收集風(fēng)能或者振動(dòng)能。

傳統(tǒng)的單個(gè)壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的工作頻帶很窄，只能收集某個(gè)方向的能量[17]。針對(duì)這一問題，本文采用弧形換能器(如圖4所示)，可收集來自四周的風(fēng)能或振動(dòng)能。在風(fēng)能較為充足的地區(qū)，主要對(duì)水平方向的振動(dòng)能進(jìn)行收集；在雨水豐富的地區(qū)，主要對(duì)豎直方向的振動(dòng)能進(jìn)行收集。

圖4 弧形壓電能量轉(zhuǎn)換器Fig.4 Diagram of arc piezoelectric energy converter

2.5 儲(chǔ)能原理

傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式多采用單一的電池進(jìn)行儲(chǔ)存，即使是鋰離子電池的儲(chǔ)能次數(shù)也能進(jìn)行幾百次的充放電過程，同時(shí)環(huán)境能量的不穩(wěn)定輸入也會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生極大影響。蘇波等[2，18]采用超級(jí)電容器加鋰離子電池的兩級(jí)儲(chǔ)能原理，使電源具有很大的次數(shù)[19]。但是，由于能量密度和功率密度等方面的限制，所選的元件體積大、儲(chǔ)能少、應(yīng)用的溫度范圍小。因此，本文采用鋰離子電容器加鈦酸鋰電池的方式進(jìn)行儲(chǔ)能,將鋰離子電容器作為主級(jí)供能元件，鈦酸鋰電池作為次級(jí)供能元件。

鋰離子電容器能量密度高、功率密度大、循環(huán)性能優(yōu)良(壽命可達(dá)10 000次以上)、有良好的低溫化學(xué)性能,所以本文將鋰離子電容器作為主要儲(chǔ)能元件，在一般情況下利用鋰離子電容器對(duì)負(fù)載進(jìn)行供能。為了防止出現(xiàn)極其惡劣的環(huán)境下鋰離子電容器供能不足且環(huán)境能量收集不及時(shí)的情況，將鈦酸鋰電池作為備用能源，可在特殊情況下持續(xù)供電。鈦酸鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無泄露、無記憶效應(yīng)、自放電率低、充放電迅速、循環(huán)壽命超長(zhǎng)、工作環(huán)境溫度范圍寬和安全穩(wěn)定綠色環(huán)保等特點(diǎn)，所以作為備用電源，既安全，適用范圍又廣。

選用型號(hào)為SPC14505的鋰離子電容器，其標(biāo)稱電壓3.6 V、標(biāo)稱容量160 mAh，在其獨(dú)自供能時(shí)，可供負(fù)載運(yùn)行1～2天。同時(shí)選用型號(hào)為L(zhǎng)TR18650的鈦酸鋰電池作為備用能源，其標(biāo)稱電壓2.4 V、額定容量1 500 mAh，在收集不到外界能量的特殊情況下，可供負(fù)載運(yùn)行近半個(gè)月的時(shí)間。而SPC14505的工作溫度范圍是-40～85 ℃，LTR18650的工作溫度范圍是-30～60 ℃，基本可以滿足傳感器節(jié)點(diǎn)在各個(gè)地方使用。

由于SPC14505標(biāo)稱電壓為3.6 V，選用型號(hào)為SXL2028的DC-DC升壓芯片進(jìn)行升壓，且輸出電流為200 mA，起保護(hù)作用。對(duì)于鈦酸鋰電池，利用型號(hào)為ASC4055C的充電管理芯片進(jìn)行充電保護(hù)。

3 能量收集及儲(chǔ)能管理電路

為了防止能量收集過程中，各種形式的能量相互干擾。在BQ25504、LTC3588-1、LTC3109的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能量收集電路和兩級(jí)能量存儲(chǔ)電路。系統(tǒng)整體電路如圖5所示。

圖5 整體電路Fig.5 Overall circuit diagram

BQ25504集成動(dòng)態(tài)最大功率點(diǎn)跟蹤功能，可以優(yōu)化對(duì)器件的功率傳輸。其升壓轉(zhuǎn)換器可通過低至600 mV的VIN啟動(dòng)，啟動(dòng)之后，可對(duì)低至130 mV的VIN繼續(xù)進(jìn)行能量收集，且具有超低的靜態(tài)電流(<330 nA)。

采用具有高度集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的LTC3109芯片，其專有的自動(dòng)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使該器件可在輸入電壓低至±30 mV的情況下正常運(yùn)作，所需的TEG兩端溫度差小于±1 ℃。無論溫差收集器熱端和冷端誰的溫度高，都能持續(xù)收集能量。

LTC3588-1可直接與壓電收集器、低損耗的全波橋式整流器和高效率電壓轉(zhuǎn)換器連接，僅消耗950 nA靜態(tài)電流。

各個(gè)芯片將能量轉(zhuǎn)換成3.3 V的電流共同輸送給SPC14505，由其進(jìn)行升壓至3.6 V，輸給儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于3種能量輸送的直流電壓相同，以及3個(gè)輸出端均裝有二極管，大大減小了電流的相互干擾；SPC14505最大通過電流200 mA，對(duì)儲(chǔ)能電路和鋰離子電容器起到保護(hù)作用。

儲(chǔ)能電路的設(shè)計(jì)則使鋰離子電容器(SPC14505)對(duì)負(fù)載和備用的鈦酸鋰電池進(jìn)行供能,在電容器供能不足時(shí)，啟動(dòng)鈦酸鋰電池對(duì)負(fù)載進(jìn)行供能。其中ASC4055C及與之并聯(lián)的二極管起到對(duì)鈦酸鋰電池(LTR18650)充電保護(hù)的作用。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

按照上述電路，在對(duì)LTC3588-1、LTC3109、BQ25504芯片進(jìn)行電壓輸入時(shí)，分別由LT spice和Tina仿真對(duì)應(yīng)輸出電壓。LT spice和Tina分別由Linear公司和TI公司開發(fā)，內(nèi)含LTC系列以及BQ系列芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以快速調(diào)用。經(jīng)過短時(shí)間后，3個(gè)芯片的輸出電壓均達(dá)到穩(wěn)定值，即使輸入電壓有所變化，輸出電壓也能保持穩(wěn)定。因此，可將三者輸出電壓均設(shè)定為3.3 V恒定電壓，對(duì)用電設(shè)備及儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行供電。既同時(shí)收集各種能量，又不因電壓差而互相影響。LTC3588輸出電壓仿真結(jié)果如圖6所示，LTC3109輸出電壓仿真結(jié)果如圖7所示，BQ25504輸出電壓仿真結(jié)果如圖8所示。

圖6 LTC3588輸出電壓仿真Fig.6 Simulation diagram of LTC3588 output voltage

圖7 LTC3109輸出電壓仿真Fig.7 Simulation diagram of LTC3109 output voltage

(a) 輸入電壓曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種能夠因地制宜地收集溫差能、光能和振動(dòng)能中的一種或者多種能量的電源收集系統(tǒng)。太陽能收集中，收集裝置利用光致形變材料，改變太陽能電池板的方位角和方向角，可有效提高光能采集，BQ25504可收集低至80 mV的能量。溫差能收集中，熱端與冷端獨(dú)立的收集方式可保證溫差能收集的持續(xù)高效，LTC3109芯片的使用可收集低至±30 mV的溫差能?；⌒握駝?dòng)片的使用可多方向、寬頻帶地收集振動(dòng)能或風(fēng)能。

利用鋰離子電容器加鈦酸鋰電池的雙極儲(chǔ)能原理，在環(huán)境能量充足時(shí)利用鋰離子電容器進(jìn)行供能(并具有充電保護(hù)芯片)；在環(huán)境能量匱乏時(shí)利用鈦酸鋰電池進(jìn)行供能，從而保證了對(duì)傳感器的持續(xù)供能。即使是在各種外界能量極其匱乏的情況下，也可持續(xù)供電長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多月。而鋰離子電容器和鈦酸鋰電池可在-30～60 ℃的環(huán)境中使用，極大地?cái)U(kuò)大了傳感器的使用壽命和使用范圍。

利用本文的研究方案，可保證無線傳感器在野外長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的持續(xù)供能。本文的方案使用范圍廣，為清潔能源的使用提供了良好的思路。