飛機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)用能量收集實(shí)現(xiàn)方案
加入技術(shù)交流群
這個(gè)鏈中的每一個(gè)電路系統(tǒng)方框都有自己獨(dú)特的限制，能源本身可能例外，這些限制已經(jīng)削弱了電路系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上的可行性，直到現(xiàn)在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年了，不過最近超低功率收發(fā)器才提供商用產(chǎn)品。然而，在這個(gè)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(gè)或更多組件組成。這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流大，從而導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受損。低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致了系統(tǒng)加電所需時(shí)間延長(zhǎng)，反過來又延長(zhǎng)了獲取傳感器讀數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔。大靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出，因?yàn)槟芰渴占鞅仨毷紫忍峁┳陨砉ぷ魉璧碾娏?，然后才能夠向輸出提供任何多余的功率?br />
能量收集換能器和IC
一個(gè)熱電器件的核心組件是熱電耦，它由一個(gè)n型半導(dǎo)體和一個(gè)p型半導(dǎo)體組成，兩個(gè)半導(dǎo)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(gè)完整的電子電路。當(dāng)熱電耦經(jīng)受熱量變化時(shí)，就產(chǎn)生熱電發(fā)生 (TEG) 現(xiàn)象，在這種情況下，熱電發(fā)生器產(chǎn)生電壓，并引起電流流動(dòng)，從而按照稱為席貝克效應(yīng) (Seeback Effect) 的定律，將熱量轉(zhuǎn)換成電功率。然后，將大量熱電耦串聯(lián)連接，形成一個(gè)熱電模塊。如果熱量在這個(gè)模塊的上部和下部之間流動(dòng)，那么就會(huì)產(chǎn)生電壓和電流流動(dòng)。
在典型的飛機(jī)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(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機(jī)械能 (燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學(xué)現(xiàn)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(fā)生器使用更多的熱量 (Q) ，產(chǎn)生更多的功率 (P)。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器可以獲取兩倍的熱量，產(chǎn)生兩倍的功率。較大的熱電發(fā)生器通過串聯(lián)更多的 P-N 節(jié)形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時(shí)產(chǎn)生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻增大限制了可提供給負(fù)載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而不同，有時(shí)使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器，有時(shí)使用較大的熱電發(fā)生器。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用的產(chǎn)品，其中包括 Tellurex公司。
通過給某個(gè)元件施加應(yīng)力可產(chǎn)生壓電性，這反過來將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)。壓電效應(yīng)是可逆的，因?yàn)槌尸F(xiàn)正壓電效應(yīng) (在施加應(yīng)力時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)) 的材料同時(shí)也表現(xiàn)出逆壓電效應(yīng) (當(dāng)施加一個(gè)電場(chǎng)時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)力/應(yīng)變)。
為了優(yōu)化壓力換能器，需要確定源的振動(dòng)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(shè)計(jì)一個(gè)從機(jī)械上調(diào)諧到特定振動(dòng)頻率的壓電換能器，并調(diào)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(dòng)激活正壓電效應(yīng)，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(dāng)少，因此 AC 開路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級(jí)。既然每次偏離產(chǎn)生的電荷量相對(duì)較少，那么有必要對(duì)這個(gè) AC 信號(hào)進(jìn)行全波整流，并在一個(gè)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(zhuǎn)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(jiǎn)化從各種來源收集剩余能量的任務(wù)。
最近推出的 LTC3108 是一種超低電壓升壓型轉(zhuǎn)換器和電源管理器，專為簡(jiǎn)化收集和管理剩余能量的任務(wù)而設(shè)計(jì)，這些剩余能量來自熱電堆、熱電發(fā)生器 (TEG) 甚至小型太陽(yáng)能電池板等極低輸入電壓源。其升壓型拓?fù)淇捎玫椭?20mV 的輸入電壓工作。這具有重要意義，因?yàn)樗试S LTC3108 在溫差低至 1℃時(shí)從熱電發(fā)生器收集能量，而分立式解決方案由于大靜態(tài)電流，不太容易做到這一點(diǎn)。
圖 2 所示電路采用一個(gè)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(cè)和數(shù)據(jù)采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。它能在小溫差時(shí)收集能量，并產(chǎn)生系統(tǒng)電源，從而無須使用傳統(tǒng)的電池電源。
評(píng)論