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世界現(xiàn)在需要的是能量收集

李雪 ? 來源: bairunwanda168 ? 作者: bairunwanda168 ? 2022-08-04 10:12 ? 次閱讀

當(dāng)今的電子控制系統(tǒng)越來越依賴遙感來實(shí)現(xiàn)可靠和高效的運(yùn)行,而智能城市和智能工廠正在推動(dòng)對電池供電的智能傳感器的需求不斷增長。通常,這些電池供電的傳感器測量一些環(huán)境參數(shù)并通過低功率無線電網(wǎng)絡(luò)共享信息,通常在云端。

這些傳感器的發(fā)展以及相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)在過去幾年一直是討論的主要話題,但直到現(xiàn)在還沒有真正考慮過如何為這些傳感器供電的問題。然而,隨著對地球命運(yùn)以及我們?nèi)绾握疹櫵膿?dān)憂日益增加,人們不僅擔(dān)心我們將如何為這些設(shè)備供電,而且還擔(dān)心我們將使用什么材料以及這將對我們生活的世界產(chǎn)生什么影響。

當(dāng)今許多更高效的電池技術(shù)使用鋰和鈷等元素,這些元素在環(huán)境或政治敏感地區(qū)發(fā)現(xiàn)并且通常非常罕見。今天,我們必須開始考慮我們?nèi)绾紊a(chǎn)這些材料,也許更重要的是,我們?nèi)绾卧谒鼈兊氖褂脡勖Y(jié)束時(shí)處理它們。

對這些材料的需求呈指數(shù)增長,僅生產(chǎn)電動(dòng)汽車電池所需的材料的需求預(yù)計(jì)將比目前全球總產(chǎn)能高出許多倍。這些材料從哪里來,成本是多少?已經(jīng)有針對一些科技巨頭在剛果鈷礦中使用童工的法律訴訟,目前估計(jì)該礦生產(chǎn)了全球約 60% 的鈷供應(yīng)。我們真的能負(fù)擔(dān)得起這種電池供電設(shè)備的爆炸式增長嗎?

世界現(xiàn)在需要的是新一代產(chǎn)品,它們可以從當(dāng)?shù)丨h(huán)境中產(chǎn)生自己的能源,而不是依賴于其他地方產(chǎn)生的電池或電力。世界需要我們開始開發(fā)使用能量收集的產(chǎn)品。我們和世界都不能不這樣做。

那么什么是“能量收集”呢?能量收集是指將直接從當(dāng)?shù)丨h(huán)境獲取的能量——無論是以陽光、溫差、振動(dòng)、發(fā)電機(jī)(水輪機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī))、壓力還是其他形式——轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。以這種方式產(chǎn)生的電力可以存儲(chǔ)在電容器或二次電池中以操作電子系統(tǒng)。

在本文中,我們將探討設(shè)計(jì)使用能量收集電源的系統(tǒng)所涉及的一些基本問題。我們將主要考慮圍繞設(shè)計(jì)的硬件問題,以帶有集成能量收集控制器的新型 RE01 微控制器為例。RE01 是第一個(gè)采用瑞薩電子新型薄埋氧化硅超低功耗工藝的新一代微控制器,專門針對能量收集應(yīng)用。

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圖 1:帶有集成能量收集控制器的 RE01 微控制器框圖

應(yīng)用程序的軟件設(shè)計(jì)超出了本文的范圍,但這也是一個(gè)重要的考慮因素,因?yàn)槟仨毱胶庑枰獔?zhí)行的必要任務(wù)與系統(tǒng)使用的功率。

但是,您不能只采用現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì),并用能量收集源替換電源。在這種情況下,系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為一種平衡行為,在能量產(chǎn)生/積累和能量消耗之間保持能量輸入/輸出平衡。正確設(shè)計(jì)的能量收集應(yīng)用程序的優(yōu)勢在于,通過執(zhí)行電源管理,無需人為干預(yù)的電池更換和電池充電,并且系統(tǒng)可以從本地環(huán)境收集的能量中永久運(yùn)行。

圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì),我們必須考慮很多問題,例如電源的選擇、電源的選擇以及將設(shè)計(jì)劃分為不同的電源域,這些電源域可以單獨(dú)控制以最大限度地降低功耗。圖 2 顯示了使用 RE01 的能量收集系統(tǒng)中電源管理的電路配置。雖然我們可能希望完全取消電池使用,但電池仍然具有一些優(yōu)勢,例如更高的功率密度,因此可能仍需要小型可充電電池。

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圖2:能量收集系統(tǒng)中的電源管理電源電路配置

在使用能量收集電源的應(yīng)用中選擇要使用的組件時(shí),請務(wù)必牢記以下標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)根據(jù)每個(gè)設(shè)備的電氣額定值進(jìn)行選擇。

應(yīng)選擇發(fā)電元件、二次電池和存儲(chǔ)電容器以及調(diào)節(jié)器、負(fù)載開關(guān)和外圍 LSI,使得發(fā)電/累積和功耗的輸入/輸出為正。

各種組件的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下所示。

發(fā)電元件(連接到 RE01 上的 VSC_VCC 引腳)

表1顯示了發(fā)電元件的選擇標(biāo)準(zhǔn)。可以連接到該設(shè)備的發(fā)電元件包括太陽能電池、珀耳帖元件和振動(dòng)發(fā)電元件。當(dāng)輸出電壓和輸出電流落在能量收集控制電路(以下簡稱“EHC 電路”)的電氣特性范圍內(nèi)時(shí),該元件可以直接連接到 VSC_VCC 引腳。當(dāng)輸出電壓和電流超出此范圍時(shí),必須加裝DC/DC轉(zhuǎn)換器等電壓轉(zhuǎn)換電路,或整流電路。

發(fā)電元件分為作為電流源使用的元件和作為電壓源使用的元件。

當(dāng)前來源:太陽能電池。

電壓源:珀耳帖元件、振動(dòng)發(fā)電元件、DC/DC轉(zhuǎn)換器等恒壓源。

當(dāng)連接到電壓源時(shí),必須在電壓源和 VSC_VCC 引腳之間插入一個(gè)電阻。通過以這種方式插入電阻器,流入 VSC_VCC 引腳的電流值被限制如下。

電流值 =(電壓源輸出電壓 - VSC_VCC 電壓)/插入電阻值

在 RE01 中,VSC_VCC 和 VBAT 之間存在大約 100 Ω 的導(dǎo)通電阻,存在于插入的電阻器和電池之間。電流源不需要電阻器。RE01 的情況下,輸出電流和輸出電壓必須滿足以下關(guān)系。

電流源的情況:

對于 10 mA 的輸出電流,輸出電壓必須為 3.6 V 或更低。

對于 3 μA 的輸出電流,輸出電壓必須為 2.62 V 或更高。

電壓源的情況:

輸出電壓為 3.6 V 或更低,輸出電流為 10 mA 或更低。

輸出電壓為 2.62 V 或更高,輸出電流為 3 μA 或更高。

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表 1:發(fā)電元件選擇標(biāo)準(zhǔn)和連接示例

發(fā)電元件引腳處的電容器(連接到 VSC_VCC 引腳)

連接發(fā)電元件時(shí),輸出電壓為直流電壓,因此應(yīng)將表2所示的電容連接到發(fā)電元件連接引腳。在交流電壓的情況下,應(yīng)根據(jù)評估進(jìn)行確定。

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表2:發(fā)電元件連接管腳電容選擇標(biāo)準(zhǔn)

存儲(chǔ)電容(連接到 VCC_SU 引腳)

表 3 顯示了 VCC_SU 所需存儲(chǔ)電容器的選擇標(biāo)準(zhǔn)。該電容器的值根據(jù)使用環(huán)境的溫度而變化。

-40°C 至 60°C:100 μF。

~40°C 至 85°C:150 μF。

電容器應(yīng)從以下電容器類型中選擇。

鉭電容

電解電容器。

多層陶瓷電容器。

應(yīng)使用等效串聯(lián)電阻 (ESR) 最多為幾歐姆左右的電容器。如果充電電流增加到大約 10 mA,應(yīng)使用低 ESR 的電容器。應(yīng)該注意的是,鋁電解電容器往往具有較高的 ESR。

6V左右的耐壓就足夠了,但使用耐壓低的電容器時(shí),絕緣電阻低,容量對電壓的依賴性增大,因此選擇電容器時(shí)必須慎重。

鉭電容和鋁電解電容往往絕緣電阻低,成為待機(jī)電流增加的原因,因此在對待機(jī)電流敏感的系統(tǒng)中必須謹(jǐn)慎使用。當(dāng)需要降低待機(jī)電流時(shí),可在VCC_SU處使用耐壓幾十伏的陶瓷電容。

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表3:儲(chǔ)能電容選擇標(biāo)準(zhǔn)及接線示例

二次電池(連接到 VBAT_EHC 引腳)

表 4 顯示了二次電池的選擇標(biāo)準(zhǔn)。表中所示的二次電池可以連接到 VBAT_EHC 引腳。此外,還可以使用超級電容器。EHC 電路執(zhí)行恒壓充電。當(dāng)連接電流源時(shí),可用于充電的電流是不超過電池充電電壓的電流。

NiMH 電池應(yīng)與串聯(lián)的兩節(jié)電池一起使用。為了保持電池平衡,必須始終使用兩節(jié)相同類型的電池。充電電流應(yīng)約為標(biāo)稱電池容量 (C/10) 的 1/10。

當(dāng)使用二次電池(VBAT)充電電壓選擇位OFS1.VBATSEL = 0(VBAT = 2.6 V)的設(shè)置,并通過10 mA作為電池充電電流時(shí),為了防止電池電壓下降,電池輸出阻抗(內(nèi)阻)建議為 10Ω 或更低。如果不可避免地使用輸出阻抗高于10Ω的電池,則應(yīng)將充電電流調(diào)整到較小的值,以免發(fā)生電壓下降。

當(dāng)使用設(shè)置 OFS1.VBATSEL = 0 (VBAT = 3.0 V) 時(shí),充電電流應(yīng)設(shè)置為 6 mA 或更小。這是為了防止 VBAT_EHC 電壓上升到超過推薦的工作電壓。

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表 4:二次電池選擇標(biāo)準(zhǔn)和連接示例

負(fù)載開關(guān)(連接到 RE01 的 VCC 引腳)

剛剛發(fā)電后,必須避免向連接到負(fù)載開關(guān)的外圍 LSI 供電。如果在發(fā)電開始后立即向外圍 LSI 供電,則可能會(huì)流過浪涌電流或較大的復(fù)位電流,從而阻礙能量收集的啟動(dòng)。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生,應(yīng)選擇負(fù)載開關(guān),以便在啟動(dòng)后立即輸出低電平,即使輸出控制引腳(其名稱因制造商而異)處于斷開狀態(tài)。此外,應(yīng)選擇具有盡可能小的關(guān)斷泄漏電流的負(fù)載開關(guān)。

穩(wěn)壓器(連接到負(fù)載開關(guān)輸出)ISL9122

應(yīng)選擇浪涌電流和靜態(tài)電流較小的穩(wěn)壓器。推薦使用低 Iq 或類似的 Renesas ISL9122。

外圍 LSI(連接到穩(wěn)壓器輸出)

應(yīng)選擇在待機(jī)和運(yùn)行期間的浪涌電流和消耗電流盡可能小的 LSI。

軟件設(shè)計(jì)

表 5 描述了在不同狀態(tài)下管理電源管理所需的軟件概要。為了構(gòu)建半永久性不需要電池維護(hù)的系統(tǒng),必須在以下每種情況下適當(dāng)切換運(yùn)行負(fù)載并調(diào)整能量輸入/輸出平衡。

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表 5:軟件在不同狀態(tài)下的電源管理

本文展示了如何通過仔細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組件選擇來解決有關(guān)使用能量收集電源的一些問題。

我們真的不能繼續(xù)使用傳統(tǒng)電池技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品,因?yàn)榈厍虿荒艿却覀円膊荒堋?/p>

對于許多遙感應(yīng)用,能量收集的使用不僅減少或消除了對電池的需求,而且還具有其他優(yōu)勢,例如顯著延長產(chǎn)品壽命和不再需要定期產(chǎn)品維護(hù)。

審核編輯 黃昊宇

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