无线传感器节点的多种能量收集利用

王 兵，王 博，何豪杰，龙泉宇，尹 鹏

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 咸阳 712100)

0 引言

近年来，随着科学技术的快速发展，以及IT行业的蓬勃兴起，无线传感器得到了广泛应用。在一些特殊环境中，如高辐射、高温、高空和高寒地区，不方便人类直接进行监测，可以通过安装无线传感器完成监测和实时传输[1-2]。此类无线传感器大多需要工作数年甚至数十年之久，普通的电源难以维持其长期工作，所以设计出适应性强、能量利用效率高的独立电源系统将会极大地扩大无线传感器的应用范围。

孙晓东等[3]在研究自主发电系统时采用一种悬臂梁与附加质量块插入式连接的压电振动能量收集器结构，分析了无线温度信号的监测和发送过程以及供电电压在时间历程上的区别；周艳丽等[4]对于太阳能电池板追踪系统的研究，提高了太阳能利用效率；孙威等[5]对于热冷端独立的温差发电系统的研究，提供了一种新型的半导体温差发电系统结构和方法；王彩锋等[6]提出对于不同能量形式的综合利用，缩短了电池充电时间，增强了对不同环境的适应性。

本文采用BQ25504、LTC3588、LTC3109几种芯片对能源进行收集，实现对能量的有效利用。储能方面，采用锂离子电容器加钛酸锂电池的两级储能方式，锂离子电容器作为主要功能电源，锂电池作为备用电源，可在能源极其匮乏的情况下持续供电，也扩大了电气设备使用的温度范围。

1 总体结构

由于自然环境中的各种能量受天气、季节影响较大，仅采用一种能量收集方式难以维持无线传感器长期稳定地工作[7]。通过各种能量密度的对比，本文选取了光能、热能(温差)和振动能(或风能形式)这几种能量密度较大的能量进行收集，上述3种能量的能量密度与收集难易程度如表1所示。以收集太阳能为主，温差能和风能(振动能)为辅，并采用光致变形材料、温差热冷端独立、弧形压电换能器设计等方式尽可能多地收集能量，可因地制宜地选取一种或多种组合进行使用，从而保障在各种环境下维持无线传感器的长期、稳定供能[8]。

表1 能量密度及可收集性对比

本文的能量收集系统采取可选择性能量收集的方式，主要有以下特点：

① 光致形变材料，在光亮增强时发生弯曲，调节太阳能电池板的方向角和方位角，使其向有阳光的方向转动。

② 温差能量转换器，利用热端和冷端独立的方法，扩大温差，使能量收集持续进行。

③ 将压电能量转换器设计成弧形，可多方向、宽频带地收集振动能(或风能)。

④ 采用锂离子电容器和钛酸锂电池组成两级储能，传感器在特殊环境下可启动备用电源。而锂离子电容器和钛酸锂电池具有较大的使用温度范围，可以在-30～60 ℃范围内使用，极大地延长了传感器的使用寿命并扩大了应用范围。

⑤ 基于BQ25504、LTC3588、LTC3109芯片的电路设计，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的能量收集与极性无关，可收集温差小于±1 ℃的能量。可在低至±30 mV的输入电压条件下工作，收集能量所需的TEG两端温度差小于±1 ℃。

对于这3种能量的收集可选择性搭配，既能快速获取多种能量，又能广泛地适应各种环境。整体能量收集示意如图1所示。

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

由图1可以看出，各收集装置收集的能量分别利用BQ25504、LTC3588、LTC3109进行处理，这3种芯片所具有的Buck-Boost电路、整流电路、MPPT追踪等可将各种能量最大限度地收集并以设定值3.3 V输送给DC-DC升压电路，将电压升至3.6 V储存至锂离子电容器中，然后由锂离子电容器给钛酸锂电池和负载供电。在锂离子电容器供能不足时，由钛酸锂电池对负载供电。

2 传感器节点结构设计

2.1 能量选择

在自然环境中，光能、热能、风能是3种能量密度较大的能源[9]，光能和热能分别利用太阳能电池板和温差能量收集器。风能大多采取风车式转动的收集方式，但由于转动的磨损会增加维护次数，故采用压电换能器以振动能的形式进行收集。

2.2 光能收集

由于太阳的转动，太阳能电池板对光能的收集会受到很大的影响[10]，所以实现对太阳能方向的追踪将会大大提高太阳能利用率[11]。苏鑫[12]采用电机对太阳能进行追踪，但是由于成本较高、环境对电机损坏较大，这种方法不仅会消耗过多的能量，也会使成本大幅增加。所以本文采用光致变形材料对电机进行替代，与不采用自动跟踪系统相比，对阳光的利用率有所提高。

液晶弹性体具有液晶的各向异性，同时也具有聚合物网络的弹性。在光照下这类材料只要有1%的偶氮苯介晶基元发生顺反异构，就会发生光致变形[13]。太阳能电池板安放如图2所示，中间支柱对于电池板起主要支撑作用，顶部半球形设计有利于电池板的转动。在阳光照射较强的方向，LEC材料发生弯曲，使电池板朝太阳方向转动，从而改变电池板的方向角和方位角。连接的弹簧对转动起缓冲作用，四周用不透光塑料薄膜隔绝光线，可降低对没有直射的液晶弹性体材料的干扰，将电池等元件放置于薄膜内的方形区域，保证了元件的清洁。

图2 太阳能电池板安放Fig.2 Layout of solar panels

另外，由于太阳能电池板在使用时，如果上面有异物，会产生光斑效应，极大地影响电池使用寿命。高雪峰等[14]研究的超疏水材料可起到防污的作用。所以在电池板表面宜覆盖一层超疏水材料，在有露水或下雨时将电池板表面冲洗干净，保证电池板的清洁，延长其使用寿命。

2.3 温差能量收集

现有的温差发电系统的热端和冷端由于半导体体积和功能上的限制都是紧密连接在半导体两端，并通过散热模块对冷源进行散热。而热端和冷端的间距过短及散热模块的布置会在应用中引起很多不便。所以针对这一技术缺陷，本研究采用热端和冷端独立式温差发电系统[5]。

采用的温差发电系统的整体结构连接原理图如图3所示。系统包括热端、冷端、用电设备与电线。热端可安置在太阳能电池板的背部或是其他温度较高的地方，冷端可置于温度较低的地方，通过导线进行连接，从而保证了温差发电的顺利进行。

图3 温差换能器结构Fig.3 Structure diagram of thermoelectric transducer

2.4 压电换能器

张松[15]在研究风能的收集时采用叶片转动式，但是叶片转动的磨损会极大地缩减风力发电装置的寿命。张传娟[16]研究的压电悬臂梁式振动能量收集器则有空间小、磨损少和造价低等优点,所以本文采用压电材料制成的悬臂梁结构的振动能量换能器来收集风能或者振动能。

传统的单个压电悬臂梁结构的工作频带很窄，只能收集某个方向的能量[17]。针对这一问题，本文采用弧形换能器(如图4所示)，可收集来自四周的风能或振动能。在风能较为充足的地区，主要对水平方向的振动能进行收集；在雨水丰富的地区，主要对竖直方向的振动能进行收集。

图4 弧形压电能量转换器Fig.4 Diagram of arc piezoelectric energy converter

2.5 储能原理

传统的储能方式多采用单一的电池进行储存，即使是锂离子电池的储能次数也能进行几百次的充放电过程，同时环境能量的不稳定输入也会对电池寿命产生极大影响。苏波等[2，18]采用超级电容器加锂离子电池的两级储能原理，使电源具有很大的次数[19]。但是，由于能量密度和功率密度等方面的限制，所选的元件体积大、储能少、应用的温度范围小。因此，本文采用锂离子电容器加钛酸锂电池的方式进行储能,将锂离子电容器作为主级供能元件，钛酸锂电池作为次级供能元件。

锂离子电容器能量密度高、功率密度大、循环性能优良(寿命可达10 000次以上)、有良好的低温化学性能,所以本文将锂离子电容器作为主要储能元件，在一般情况下利用锂离子电容器对负载进行供能。为了防止出现极其恶劣的环境下锂离子电容器供能不足且环境能量收集不及时的情况，将钛酸锂电池作为备用能源，可在特殊情况下持续供电。钛酸锂电池具有体积小、重量轻、能量密度高、密封性能好、无泄露、无记忆效应、自放电率低、充放电迅速、循环寿命超长、工作环境温度范围宽和安全稳定绿色环保等特点，所以作为备用电源，既安全，适用范围又广。

选用型号为SPC14505的锂离子电容器，其标称电压3.6 V、标称容量160 mAh，在其独自供能时，可供负载运行1～2天。同时选用型号为LTR18650的钛酸锂电池作为备用能源，其标称电压2.4 V、额定容量1 500 mAh，在收集不到外界能量的特殊情况下，可供负载运行近半个月的时间。而SPC14505的工作温度范围是-40～85 ℃，LTR18650的工作温度范围是-30～60 ℃，基本可以满足传感器节点在各个地方使用。

由于SPC14505标称电压为3.6 V，选用型号为SXL2028的DC-DC升压芯片进行升压，且输出电流为200 mA，起保护作用。对于钛酸锂电池，利用型号为ASC4055C的充电管理芯片进行充电保护。

3 能量收集及储能管理电路

为了防止能量收集过程中，各种形式的能量相互干扰。在BQ25504、LTC3588-1、LTC3109的基础上设计了能量收集电路和两级能量存储电路。系统整体电路如图5所示。

图5 整体电路Fig.5 Overall circuit diagram

BQ25504集成动态最大功率点跟踪功能，可以优化对器件的功率传输。其升压转换器可通过低至600 mV的VIN启动，启动之后，可对低至130 mV的VIN继续进行能量收集，且具有超低的静态电流(<330 nA)。

采用具有高度集成DC/DC转换器的LTC3109芯片，其专有的自动极性拓扑结构使该器件可在输入电压低至±30 mV的情况下正常运作，所需的TEG两端温度差小于±1 ℃。无论温差收集器热端和冷端谁的温度高，都能持续收集能量。

LTC3588-1可直接与压电收集器、低损耗的全波桥式整流器和高效率电压转换器连接，仅消耗950 nA静态电流。

各个芯片将能量转换成3.3 V的电流共同输送给SPC14505，由其进行升压至3.6 V，输给储能系统。由于3种能量输送的直流电压相同，以及3个输出端均装有二极管，大大减小了电流的相互干扰；SPC14505最大通过电流200 mA，对储能电路和锂离子电容器起到保护作用。

储能电路的设计则使锂离子电容器(SPC14505)对负载和备用的钛酸锂电池进行供能,在电容器供能不足时，启动钛酸锂电池对负载进行供能。其中ASC4055C及与之并联的二极管起到对钛酸锂电池(LTR18650)充电保护的作用。

4 系统测试分析

按照上述电路，在对LTC3588-1、LTC3109、BQ25504芯片进行电压输入时，分别由LT spice和Tina仿真对应输出电压。LT spice和Tina分别由Linear公司和TI公司开发，内含LTC系列以及BQ系列芯片的系统结构，可以快速调用。经过短时间后，3个芯片的输出电压均达到稳定值，即使输入电压有所变化，输出电压也能保持稳定。因此，可将三者输出电压均设定为3.3 V恒定电压，对用电设备及储能设备进行供电。既同时收集各种能量，又不因电压差而互相影响。LTC3588输出电压仿真结果如图6所示，LTC3109输出电压仿真结果如图7所示，BQ25504输出电压仿真结果如图8所示。

图6 LTC3588输出电压仿真Fig.6 Simulation diagram of LTC3588 output voltage

图7 LTC3109输出电压仿真Fig.7 Simulation diagram of LTC3109 output voltage

(a) 输入电压曲线

5 结束语

本文设计了一种能够因地制宜地收集温差能、光能和振动能中的一种或者多种能量的电源收集系统。太阳能收集中，收集装置利用光致形变材料，改变太阳能电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。温差能收集中，热端与冷端独立的收集方式可保证温差能收集的持续高效，LTC3109芯片的使用可收集低至±30 mV的温差能。弧形振动片的使用可多方向、宽频带地收集振动能或风能。

利用锂离子电容器加钛酸锂电池的双极储能原理，在环境能量充足时利用锂离子电容器进行供能(并具有充电保护芯片)；在环境能量匮乏时利用钛酸锂电池进行供能，从而保证了对传感器的持续供能。即使是在各种外界能量极其匮乏的情况下，也可持续供电长达半个多月。而锂离子电容器和钛酸锂电池可在-30～60 ℃的环境中使用，极大地扩大了传感器的使用寿命和使用范围。

利用本文的研究方案，可保证无线传感器在野外长达数十年的持续供能。本文的方案使用范围广，为清洁能源的使用提供了良好的思路。