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功率技術/新能源  

無線充電搭配能量採集 為物聯網打造長效電池

上網時間: 2014年11月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:物聯網  IoT  能量採集  無線充電  電池 

Tony Armstrong,凌力爾特電源產品部門產品行銷總監

物聯網(IoT),所指的是一種日益顯著的趨勢——它不僅將人和電腦、同時也將所有物件連接到網際網路,因而在人、電腦和所有物件之間實現了互連。例如,如果要部署工廠或大型基礎設施應用,那麼盡可能地連接位於更多不同地點的多種感測器(或致動器),就可以提高效率、增強安全性,並實現全新業務模式。

傳統上,各種不同類型的感測器靠電源線連接到電源。然而,如今面對的問題不再是圍繞廠房設備佈設電纜的挑戰和費用,因為現在可以安裝可靠、工業級強度的無線感測器,這些感測器可以靠一塊小型電池或甚至從光、振動或溫度變化中採集能量而長年運作。另外,也可以透過結合充電電池與多種環境能源來供電。同時,由於內在的安全問題,有些充電電池不能以有線方式充電,而需要透過無線功率傳送方式充電。

最新和現成的能量採集(EH)技術(例如振動能量採集和室內PV電池),在典型工作條件下可產生毫瓦(mW)級的功率。儘管這樣的功率級也許看似有限,但能量採集元件能在若干年內連續運作,可能意味著無論就所提供的總能量還是每能量單位成本而言,能量採集技術可媲美長效的一次性電池。此外,採用能量採集技術的系統一般能夠在電量耗盡之後再充電,但以一次性電池供電的系統就無法做到這一點。

不過,大多數解決方案會將環境能源作為主電源,而在環境能源消失或中斷時以電池作為補充。電池在使用上可以選擇採用充電電池,也可以是一次性電池,至於是否採用充電電池通常由終端應用本身決定。因此,所遵循的原則是,如果最終部署環境易於接近,便於一次性電池的更換,那麼維護人員就能夠以經濟實惠的方式更換一次性電池,使用一次性電池也就具有經濟意義。如果更換電池耗時費力、成本高昂,那麼採用充電電池才具有經濟效益。

即使選擇了充電電池,為電池充電的最佳方法仍待進一步探討。例如以下的一些因素就會影響決定:

  .是否透過有線電源為電池充電

  .環境能源是否提供充足的功率,足以同時為無線感測器網路(WSN)供電以及為電池充電

  .是否由於部署存在危險性以及內在安全要求,而必須透過無線功率傳送來為電池充電

能量採集搭配無線充電方案

對於必須設計這類具挑戰性系統的設計者而言,好消息是已經有一些電源IC具備必要的功能和性能特色,能夠透過能量採集為可穿戴技術應用提供輕量級的功率。例如,凌力爾特科技(Linear Technology)不久前推出兩款元件,包括一款有助於延長電池壽命的能量採集元件,以及一款無線功率接收器和電池充電器。

LTC3331是一款完整的能量採集調節方案,可在採集的能源可用時,提供高達50mA的連續輸出電流以延長電池壽命。該元件可由所採集的能量為負載提供穩定功率,而不需要電池供電;而在無負載情況下靠電池供電時,也僅需950nA工作電流。此外,該元件整合一個高壓能量採集電源,以及一個由充電電池供電的同步升降壓DC/DC轉換器,為能量採集應用提供單一不間斷的輸出,例如WSN的能量採集應用。

能量採集器和電池壽命延長器
能量採集器和電池壽命延長器

該元件的的能量採集電源由一個提供AC或DC輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器組成,從壓電(AC)、太陽能(DC)或磁性(AC)能源採集能量。10mA分路電流允許以採集的能量簡便地為電池充電,而低電池電量斷接功能則保護電池免於深度放電。可充電電池為同步升降壓轉換器供電,該轉換器的輸入工作電壓範圍為1.8V至5.5V,當採集能源不可用時,無論輸入高於、低於或等於輸出,都可用來調節輸出。

LTC3331的電池充電器具備一種非常重要的電源管理功能,使用微型功率電源時,這一功能不可忽視。該元件並提供對電池充電器的邏輯控制功能,使其僅在能量採集電源有剩餘能量時,才為電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能,能量採集電源會在啟動時卡在某個非最佳工作點上,而無法在啟動中為設定的應用供電。當缺少採集能源可用時,LTC3331自動轉換到電池。這又提供了一個好處:如果適用的能量採集電源至少在一半時間內可用,那麼電池供電無線感測器網路的工作壽命可延長10年至20年以上,如果可採集能源更加普遍可用的話,壽命甚至還可進一步延長。該元件還整合了一個超級電容平衡器,以提高輸出儲存容量。

除了越來越多的能量採集選項,物聯網還可從日益進展的無線充電技術中受益,因為無線充電可讓電池在無法以實體接觸充電時,改採無線方式充電。例如針對此類應用推出的LTC4120就是一款無線功率接收器和電池充電器。該元件整合了PowerbyProxi的專利技術,其動態協調控制(DHC)技術可實現高效率非接觸式充電,而又不至於在接收器中產生過熱或電氣負擔過重問題。透過這項技術,就能在長達1.2cm的距離傳送高達2W功率。然而,對單節鋰離子電池而言,最高充電電壓為4.2V,最大充電電流為400mA,將使得DHC技術的傳送功率限制於1.7W。同樣地,2W最大功率將限制兩顆鋰離子電池(8.4V最高充電電壓)的充電電流至240mA。

功率、效率、距離和尺寸的大小決定了系統性能,因此,在利用其中一種接收器選項時,基於LTC4120的無線電源系統是專為在1.2cm內接收高達2W功率的電池而設計。依據所採用方法和元件的不同,效率計算結果也會有很大變化。在基於LTC4120的系統中,電池通常接收45%至55%饋送到發送器的DC輸入功率。

內建於LTC4120中的PowerbyProxi專利DHC調諧技術較其他無線電源方案更具優勢。為了因應環境和負載變化,DHC可動態改變接收器上諧振儲能電路的諧振頻率。DHC 在允許更長傳送距離的同時,還可達到更高的功率傳送效率,從而使接收器尺寸更小。與其他無線功率傳送技術不同的是,DHC允許內在功率管理成為感應電場的組成部分,因而使其在電池充電週期中無需以單獨通訊通道驗證接收器或管理負載需求變化。

DHC顯然解決了所有無線電源系統的基本問題。所有的系統設計都必須能在最長的特定傳送距離接收定量的功率。所有系統設計也都必須能在最短傳送距離時承受無負載情況而不被損壞。其他競爭解決方案多半採用複雜的數位通訊系統來解決此問題,而這提高了複雜性和成本,限制了功率傳送距離。基於LTC4120的無線電源系統利用PowerbyProxi DHC技術解決了這一問題。

完整的無線電池充電電路
完整的無線電池充電電路

結論

即使採用能量採集系統的工業WSN應用也需要利用各種不同的功率,包括從微瓦(mW)到大於1W,所幸目前已有一些電源轉換IC可供系統設計者選擇。例如能量採集器、電池壽命延長器,以及結合無線功率傳送電池充電器等,為低至中功率的多種應用提供了必要的功能,並為物聯網應用的爆炸性成長提供動力。





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