飛機結構運用能量收集實現方案
加入技術交流群
這個鏈中的每一個電路系統方框都有自己獨特的限制，能源本身可能例外，這些限制已經削弱了電路系統經濟上的可行性，直到現在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經上市兩三年了，不過最近超低功率收發器才提供商用產品。然而，在這個鏈中，最落后的一直是能量收集器。
能量收集器方框的已有方案一般采用低性能分立組件配置，通常由 30 個或更多組件組成。這種設計轉換效率低，靜態電流大，從而導致最終系統性能受損。低轉換效率導致了系統加電所需時間延長，反過來又延長了獲取傳感器讀數與發送數據之間的時間間隔。大靜態電流限制了能量收集源的輸出，因為能量收集器必須首先提供自身工作所需的電流，然后才能夠向輸出提供任何多余的功率。
能量收集換能器和IC
一個熱電器件的核心組件是熱電耦，它由一個n型半導體和一個p型半導體組成，兩個半導體靠一塊金屬板連接。p型和n型材料另一端加上電氣連接，以形成一個完整的電子電路。當熱電耦經受熱量變化時，就產生熱電發生 (TEG) 現象，在這種情況下，熱電發生器產生電壓，并引起電流流動，從而按照稱為席貝克效應 (Seeback Effect) 的定律，將熱量轉換成電功率。然后，將大量熱電耦串聯連接，形成一個熱電模塊。如果熱量在這個模塊的上部和下部之間流動，那么就會產生電壓和電流流動。
在典型的飛機引擎情況下，其溫度可能在幾百 攝氏度 到一千攝氏度甚至 兩千攝氏度的范圍內變化。盡管這種能量大多數都以機械能 (燃燒和發動機推力) 的形式損失了，但仍有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應是將熱量轉換成電功率的根本熱力學現象，那么考慮的主要方程是：
P=ηQ
其中P是電功率，Q是熱量，η是效率。
較大的熱電發生器使用更多的熱量 (Q) ，產生更多的功率 (P)。類似地，使用數量為兩倍的功率轉換器可以獲取兩倍的熱量，產生兩倍的功率。較大的熱電發生器通過串聯更多的 P-N 節形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發生器的串聯電阻。這種串聯電阻增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應用需求的不同而不同，有時使用較小的并聯熱電發生器，有時使用較大的熱電發生器。不管選擇哪一種熱電發生器，都有很多廠商提供商用的產品，其中包括 Tellurex公司。
通過給某個元件施加應力可產生壓電性，這反過來將產生一個電勢。壓電效應是可逆的，因為呈現正壓電效應 (在施加應力時將產生一個電勢) 的材料同時也表現出逆壓電效應 (當施加一個電場時將產生應力/應變)。
為了優化壓力換能器，需要確定源的振動頻率和位移特性。一旦這些值確定了，那么壓電換能器制造商就可以設計一個從機械上調諧到特定振動頻率的壓電換能器，并調整該壓電換能器的大小，以提供必需的功率。壓電材料的振動激活正壓電效應，在該器件的輸出電容上引起電荷積累。積累的電荷通常相當少，因此 AC 開路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級。既然每次偏離產生的電荷量相對較少，那么有必要對這個 AC 信號進行全波整流，并在一個輸入電容器上逐周期積累電荷。仍然有很多廠商提供多種商用壓電換能器，其中包括 AmbioSystems、MIDE Technology 公司和 Advanced Cerametrics公司。
不過，迄今為止一直缺少的是，既能從熱源又能從壓電源收集和管理能量、高度集成、高效率 的DC/DC 轉換器解決方案。凌力爾特公司革命性的 LTC3108 和 LTC3588-1 將極大地簡化從各種來源收集剩余能量的任務。
最近推出的 LTC3108 是一種超低電壓升壓型轉換器和電源管理器，專為簡化收集和管理剩余能量的任務而設計，這些剩余能量來自熱電堆、熱電發生器 (TEG) 甚至小型太陽能電池板等極低輸入電壓源。其升壓型拓撲可用低至 20mV 的輸入電壓工作。這具有重要意義，因為它允許 LTC3108 在溫差低至 1℃時從熱電發生器收集能量，而分立式解決方案由于大靜態電流，不太容易做到這一點。
圖 2 所示電路采用一個小型升壓型變壓器來提高至 LTC3108 的輸入電壓源的電壓，然后 LTC3108 再為無線檢測和數據采集提供一個完整的電源管理解決方案。它能在小溫差時收集能量，并產生系統電源，從而無須使用傳統的電池電源。
評論