無線傳感器節點的多種能量收集利用

王 兵，王 博，何豪杰，龍泉宇，尹 鵬

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 咸陽 712100)

0 引言

近年來，隨著科學技術的快速發展，以及IT行業的蓬勃興起，無線傳感器得到了廣泛應用。在一些特殊環境中，如高輻射、高溫、高空和高寒地區，不方便人類直接進行監測，可以通過安裝無線傳感器完成監測和實時傳輸[1-2]。此類無線傳感器大多需要工作數年甚至數十年之久，普通的電源難以維持其長期工作，所以設計出適應性強、能量利用效率高的獨立電源系統將會極大地擴大無線傳感器的應用范圍。

孫曉東等[3]在研究自主發電系統時采用一種懸臂梁與附加質量塊插入式連接的壓電振動能量收集器結構，分析了無線溫度信號的監測和發送過程以及供電電壓在時間歷程上的區別；周艷麗等[4]對于太陽能電池板追蹤系統的研究，提高了太陽能利用效率；孫威等[5]對于熱冷端獨立的溫差發電系統的研究，提供了一種新型的半導體溫差發電系統結構和方法；王彩鋒等[6]提出對于不同能量形式的綜合利用，縮短了電池充電時間，增強了對不同環境的適應性。

本文采用BQ25504、LTC3588、LTC3109幾種芯片對能源進行收集，實現對能量的有效利用。儲能方面，采用鋰離子電容器加鈦酸鋰電池的兩級儲能方式，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供電，也擴大了電氣設備使用的溫度范圍。

1 總體結構

由于自然環境中的各種能量受天氣、季節影響較大，僅采用一種能量收集方式難以維持無線傳感器長期穩定地工作[7]。通過各種能量密度的對比，本文選取了光能、熱能(溫差)和振動能(或風能形式)這幾種能量密度較大的能量進行收集，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，溫差能和風能(振動能)為輔，并采用光致變形材料、溫差熱冷端獨立、弧形壓電換能器設計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行使用，從而保障在各種環境下維持無線傳感器的長期、穩定供能[8]。

表1 能量密度及可收集性對比

本文的能量收集系統采取可選擇性能量收集的方式，主要有以下特點：

① 光致形變材料，在光亮增強時發生彎曲，調節太陽能電池板的方向角和方位角，使其向有陽光的方向轉動。

② 溫差能量轉換器，利用熱端和冷端獨立的方法，擴大溫差，使能量收集持續進行。

③ 將壓電能量轉換器設計成弧形，可多方向、寬頻帶地收集振動能(或風能)。

④ 采用鋰離子電容器和鈦酸鋰電池組成兩級儲能，傳感器在特殊環境下可啟動備用電源。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 ℃范圍內使用，極大地延長了傳感器的使用壽命并擴大了應用范圍。

⑤ 基于BQ25504、LTC3588、LTC3109芯片的電路設計，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，可收集溫差小于±1 ℃的能量。可在低至±30 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，又能廣泛地適應各種環境。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定值3.3 V輸送給DC-DC升壓電路，將電壓升至3.6 V儲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載供電。在鋰離子電容器供能不足時，由鈦酸鋰電池對負載供電。

2 傳感器節點結構設計

2.1 能量選擇

在自然環境中，光能、熱能、風能是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。風能大多采取風車式轉動的收集方式，但由于轉動的磨損會增加維護次數，故采用壓電換能器以振動能的形式進行收集。

2.2 光能收集

由于太陽的轉動，太陽能電池板對光能的收集會受到很大的影響[10]，所以實現對太陽能方向的追蹤將會大大提高太陽能利用率[11]。蘇鑫[12]采用電機對太陽能進行追蹤，但是由于成本較高、環境對電機損壞較大，這種方法不僅會消耗過多的能量，也會使成本大幅增加。所以本文采用光致變形材料對電機進行替代，與不采用自動跟蹤系統相比，對陽光的利用率有所提高。

液晶彈性體具有液晶的各向異性，同時也具有聚合物網絡的彈性。在光照下這類材料只要有1%的偶氮苯介晶基元發生順反異構，就會發生光致變形[13]。太陽能電池板安放如圖2所示，中間支柱對于電池板起主要支撐作用，頂部半球形設計有利于電池板的轉動。在陽光照射較強的方向，LEC材料發生彎曲，使電池板朝太陽方向轉動，從而改變電池板的方向角和方位角。連接的彈簧對轉動起緩沖作用，四周用不透光塑料薄膜隔絕光線，可降低對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的方形區域，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，如果上面有異物，會產生光斑效應，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，在有露水或下雨時將電池板表面沖洗干凈，保證電池板的清潔，延長其使用壽命。

2.3 溫差能量收集

現有的溫差發電系統的熱端和冷端由于半導體體積和功能上的限制都是緊密連接在半導體兩端，并通過散熱模塊對冷源進行散熱。而熱端和冷端的間距過短及散熱模塊的布置會在應用中引起很多不便。所以針對這一技術缺陷，本研究采用熱端和冷端獨立式溫差發電系統[5]。

采用的溫差發電系統的整體結構連接原理圖如圖3所示。系統包括熱端、冷端、用電設備與電線。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，通過導線進行連接，從而保證了溫差發電的順利進行。

圖3 溫差換能器結構Fig.3 Structure diagram of thermoelectric transducer

2.4 壓電換能器

張松[15]在研究風能的收集時采用葉片轉動式，但是葉片轉動的磨損會極大地縮減風力發電裝置的壽命。張傳娟[16]研究的壓電懸臂梁式振動能量收集器則有空間小、磨損少和造價低等優點,所以本文采用壓電材料制成的懸臂梁結構的振動能量換能器來收集風能或者振動能。

傳統的單個壓電懸臂梁結構的工作頻帶很窄，只能收集某個方向的能量[17]。針對這一問題，本文采用弧形換能器(如圖4所示)，可收集來自四周的風能或振動能。在風能較為充足的地區，主要對水平方向的振動能進行收集；在雨水豐富的地區，主要對豎直方向的振動能進行收集。

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

2.5 儲能原理

傳統的儲能方式多采用單一的電池進行儲存，即使是鋰離子電池的儲能次數也能進行幾百次的充放電過程，同時環境能量的不穩定輸入也會對電池壽命產生極大影響。蘇波等[2，18]采用超級電容器加鋰離子電池的兩級儲能原理，使電源具有很大的次數[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、儲能少、應用的溫度范圍小。因此，本文采用鋰離子電容器加鈦酸鋰電池的方式進行儲能,將鋰離子電容器作為主級供能元件，鈦酸鋰電池作為次級供能元件。

鋰離子電容器能量密度高、功率密度大、循環性能優良(壽命可達10 000次以上)、有良好的低溫化學性能,所以本文將鋰離子電容器作為主要儲能元件，在一般情況下利用鋰離子電容器對負載進行供能。為了防止出現極其惡劣的環境下鋰離子電容器供能不足且環境能量收集不及時的情況，將鈦酸鋰電池作為備用能源，可在特殊情況下持續供電。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、自放電率低、充放電迅速、循環壽命超長、工作環境溫度范圍寬和安全穩定綠色環保等特點，所以作為備用電源，既安全，適用范圍又廣。

選用型號為SPC14505的鋰離子電容器，其標稱電壓3.6 V、標稱容量160 mAh，在其獨自供能時，可供負載運行1～2天。同時選用型號為LTR18650的鈦酸鋰電池作為備用能源，其標稱電壓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，可供負載運行近半個月的時間。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點在各個地方使用。

由于SPC14505標稱電壓為3.6 V，選用型號為SXL2028的DC-DC升壓芯片進行升壓，且輸出電流為200 mA，起保護作用。對于鈦酸鋰電池，利用型號為ASC4055C的充電管理芯片進行充電保護。

3 能量收集及儲能管理電路

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的基礎上設計了能量收集電路和兩級能量存儲電路。系統整體電路如圖5所示。

圖5 整體電路Fig.5 Overall circuit diagram

BQ25504集成動態最大功率點跟蹤功能，可以優化對器件的功率傳輸。其升壓轉換器可通過低至600 mV的VIN啟動，啟動之后，可對低至130 mV的VIN繼續進行能量收集，且具有超低的靜態電流(<330 nA)。

采用具有高度集成DC/DC轉換器的LTC3109芯片，其專有的自動極性拓撲結構使該器件可在輸入電壓低至±30 mV的情況下正常運作，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換器連接，僅消耗950 nA靜態電流。

各個芯片將能量轉換成3.3 V的電流共同輸送給SPC14505，由其進行升壓至3.6 V，輸給儲能系統。由于3種能量輸送的直流電壓相同，以及3個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，對儲能電路和鋰離子電容器起到保護作用。

儲能電路的設計則使鋰離子電容器(SPC14505)對負載和備用的鈦酸鋰電池進行供能,在電容器供能不足時，啟動鈦酸鋰電池對負載進行供能。其中ASC4055C及與之并聯的二極管起到對鈦酸鋰電池(LTR18650)充電保護的作用。

4 系統測試分析

按照上述電路，在對LTC3588-1、LTC3109、BQ25504芯片進行電壓輸入時，分別由LT spice和Tina仿真對應輸出電壓。LT spice和Tina分別由Linear公司和TI公司開發，內含LTC系列以及BQ系列芯片的系統結構，可以快速調用。經過短時間后，3個芯片的輸出電壓均達到穩定值，即使輸入電壓有所變化，輸出電壓也能保持穩定。因此，可將三者輸出電壓均設定為3.3 V恒定電壓，對用電設備及儲能設備進行供電。既同時收集各種能量，又不因電壓差而互相影響。LTC3588輸出電壓仿真結果如圖6所示，LTC3109輸出電壓仿真結果如圖7所示，BQ25504輸出電壓仿真結果如圖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 結束語

本文設計了一種能夠因地制宜地收集溫差能、光能和振動能中的一種或者多種能量的電源收集系統。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，熱端與冷端獨立的收集方式可保證溫差能收集的持續高效，LTC3109芯片的使用可收集低至±30 mV的溫差能。弧形振動片的使用可多方向、寬頻帶地收集振動能或風能。

利用鋰離子電容器加鈦酸鋰電池的雙極儲能原理，在環境能量充足時利用鋰離子電容器進行供能(并具有充電保護芯片)；在環境能量匱乏時利用鈦酸鋰電池進行供能，從而保證了對傳感器的持續供能。即使是在各種外界能量極其匱乏的情況下，也可持續供電長達半個多月。而鋰離子電容器和鈦酸鋰電池可在-30～60 ℃的環境中使用，極大地擴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達數十年的持續供能。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。