Устройства для беспроводного и безбатарейного питания автономных узлов. Часть 1

Энергосбережение приобрело актуальность в условиях растущего дефицита электроэнергии для питания большого числа электрических и электронных систем. Этому способствуют законодательные акты, постановления правительства в отношении норм выброса и безопасности, растущий спрос на автомобили, которые отвечают новым требованиям к характеристикам, безопасности, комфорту и экономичной эксплуатации (что связано с повышением цен на топливо). Ужесточившиеся требования привели, например, к необходимости более точного и интеллектуального контроля эффективности и выбросов, а также к применению электрического рулевого управления, развитию технологий активной безопасности, контролю практически каждого автомобильного агрегата и узла.
В результате увеличилось число электронных блоков, датчиков и исполнительных механизмов, стали развиваться мультисенсорные технологии измерения для обеспечения высокой точности, технологии сетевой коммуникации и алгоритмы слияния данных. Это привело к увеличению числа проводов в автомобиле, а также к росту дефицита электрической энергии.
Автомобильное электрооборудование включает множество встроенных датчиков, установка которых осуществляется однократно из расчёта на безотказную работу в течение нескольких лет. Срок службы современных датчиков достигает 10—15 лет. Значительное распространение получили и бесконтактные технологии измерений, но для питания большинства датчиков по-прежнему необходимо подавать питание по проводам.
Исключительный пример — системы контроля давления в шинах (TPMS), в которых датчики давления устанавливаются в каждом колесе и питаются от батарей. Беспроводная связь и питание от батарей с высоким сроком службы — альтернатива для системы, в которой датчики или исполнительные механизмы находятся в труднодоступных местах, а провода мешают нормальной работе устройства. Но распространение беспроводных систем на батареях в автомобиле ограничено тем, что батареи нуждаются в периодической замене, и это также может осложнить или помешать нормальной работе систем.
Система TPMS служит для того, чтобы предоставлять водителю информацию о состоянии шин. Для продления срока службы батарей в прямых системах TPMS разработаны методы опроса по требованию, когда с датчика снимаются данные только по сигналу опроса системного процессора. В остальное время датчик находится в спящем режиме для экономии электроэнергии, благодаря чему батареи в сенсорном узле колеса могут служить 10—15 лет. Другие датчики, например, скорости колёс (с которых снимается сигнал для непрямых систем TPMS), контроля двигателя, коробки передач должны надёжно работать непрерывно (в жёстких условиях) и потреблять больше мощности, а это батареи обеспечить не могут.
Надёжность и низкая цена эксплуатации батарей обеспечивается только в системах, допускающих такую замену батарей, где она не препятствует работе и не слишком часто осуществляется. Поэтому основным средством питания и коммуникации электрических и электронных транспортных узлов остаются провода. Для сокращения их числа производители датчиков применяют двух- и даже однопроводные сенсорные интерфейсы. Находят широкое распространение и пассивные сенсорные технологии (индуктивные, ПАВ, микроболометры), а также кластерный способ физического конфигурирования узлов.
На рынке потребительской электроники методы экономии мощности и батарейные технологии распространены шире. Чтобы избежать отключения и частой перезарядки аккумуляторов сотовых телефонов и многих других батарейных устройств, в них используется спящий режим, из которого они выводятся только в ответ на нажатие клавиши или другие действия пользователя. Режим FIFO также позволяет экономить электроэнергию.
Существуют и совершенно особые задачи, где батареи находят своё применение.
К ним относится структурный мониторинг мостов, зданий, сооружений, летательных аппаратов, морских кораблей, мониторинг состояния подшипников, роторов двигателей, вентиляторов, насосов, компрессоров, сейсмической активности. Так, для мониторинга мостов используются акселерометры, датчики механического напряжения, температуры. Дефекты в поверхностях подшипников, разбаланс, невыравнивание валов приводят к сбоям в работе машин. Частота вибрации зависит от конструкции и скорости вращения, а амплитуда — результирующая функция, которую детектирует акселерометр.
Медицинские имплантаты, беспилотные летательные аппараты и другие машины, исключающие вмешательство человека, контроль машинных и технологических процессов допускают только однократную установку компонентов и беспроводную работу. Когда надёжность и удобство эксплуатации батарей в жёстких условиях, а также подверженных обрывам проводов ограничены, единственная альтернатива — энергособиратели.
Энергособиратели — новое направление в электронике, актуальное для тех систем, эксплуатацию которых замена батарей осложняет, особенно в тех случаях, где требуется непрерывная работа датчиков в недоступном для человека окружении. Концепция энергособирателей основана на наличии доступных источников энергии в различных формах — механической, тепловой, оптической, жидкостной, радиочастотной. Сбор энергии из окружения, запасание и использование её для питания компонентов позволяет питать беспроводные сенсорные узлы и другие компоненты вне срока службы/питания от батарей, повышать доступный выход мощности для двигателей и приводов.
Существует также возможность комбинированного использования различных доступных источников энергии, например механической и тепловой, беспроводной передачи мощности (питание узла по радиоканалу).
Энергособиратель предназначен для питания узла электроэнергией, которая запасается в батарее или суперконденсаторе. Энергособиратели пока не могут конкурировать с батареями в системах, где батареи легко заменить, и с проводами как надёжным и недорогим средством современной коммуникации, если они гармонично вписываются в систему. Беспроводной мониторинг развивается как дополнение или замещение проводных соединений, и энергособиратель — средство минимизации числа питающих проводов.
Надёжность энергособирателя ничем не ограничена извне, т.к. для его работы необходимо только энергетическая среда.
Автономные беспроводные сенсорные системы — одна из новых концепций. Проблемы повышения надёжности и стабильности беспроводных каналов передачи данных в условиях ВЧ-помех в большинстве случаев решаются отдельно. Суть новой концепции в том, что автономность узлового питания позволит беспроводным датчикам работать без опасения, что батарея разрядится или произойдет отключение от питающей силовой установки.
Как показывает представленный далее обзор, технологии сбора энергии — не футуристическая фантазия, а современная реальность.
 

Для захвата энергии вибрации применяются, в основном, пьезоэлектрические элементы. Для сбора солнечной энергии используются технологии фотоэлектрического преобразования; тепла — термопары. Энергособиратели — это источники, обеспечивающие высокоэффективное преобразование доступной энергии в регулируемые выходные напряжения или электрическую мощность для заряда батарей и запасающих конденсаторных элементов.

Вибрационные энергособиратели

Вибрационные энергособиратели (Vibration Energy Harvesting, VEH) — одна из самых развитых технологий.
Компания AdaptivEnergy (AE) разработала решение Joule-Thief для сбора вибрационной энергии (см. рис. 1а), в котором используется технология упрочненных ламинированных пьезоэлектриков RLP (Ruggedized Laminated Piezo) (см. рис. 1б). Назначение энергособирателя — захватывать энергию из окружающих источников и преобразовывать в полезную электрическую мощность для запаса в батареях и конденсаторах. Система состоит из интеллектуального преобразователя энергии Joule-Thief Smart Energy Beam и электроники Energy Key, осуществляющей функции сбора и запаса.
Пьезоэлектрический преобразователь — это генератор, который преобразует механическую энергию вибрации в эквивалентную электрическую энергию, что достигается с помощью пьезоэлектрической RLP-балки, прикреплённой к вибрационной механической структуре. Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в преобразовании наведённой механической энергии в электрический заряд. Сгенерированное полезное напряжение затем преобразуется в полезное постоянное напряжение с использованием силового процессорного модуля. Модуль запаса мощности включает электронную архитектуру, которая эффективно запасает сгенерированную мощность в батарее или конденсаторе.

а)	б)
Рис. 1. Технологии захвата вибрационной энергии AdaptivEnergy: а) энергосберегающий модуль Joule-Thief; б) энергособирающая RLP-балка

В состав преобразователя Joule-Thief входит композитная балка, которая состоит из кантилеверного клина с прикреплённым пьезоэлектрическим слоем и подвешенной на его наконечнике инерционной массой. Масса преобразует входное ускорение базы в эффективную инерциальную силу на наконечнике, отклоняющую балку, что наводит механическое напряжение в пьезоэлектрическом слое. Механическое напряжение приводит к поляризации пьезокерамики, а дополнение структуры электродами обеспечивает поляризационный ток, который преобразуется в полезную мощность.
RLP-балка работает в жёстких условиях в течение длительных периодов времени, в отличие от ненагруженных устройств, что является важным преимуществом этой технологии. Выходная мощность преобразователя Joule-Thief достигает высокой плотности. Эффективность схемы –60—80%. Однако чтобы достичь этих значений, требуется соответствие формы балки окружающим условиям и знание спектра, параметров входной вибрации — ускорения, частоты.
Joule-Thief применяется в качестве силового источника для удалённого мониторинга, носимой электроники, беспроводных сенсорных и переключающих систем, дополняющих устройства для заряда батарей. Преобразователи Joule-Thief рекомендованы для многих беспроводных систем, например, для расширения батарейных беспроводных датчиков и переключателей.
Компании Perpetuum и Ferro Solutions совершенствуют электромагнитные технологии захвата вибрационной энергии.
Электромагнитные генераторы способны питать беспроводные сенсорные узлы неопределённое время, а при повышении уровня технологий беспроводной автоматизации возможен поиск новых путей для использования данной технологии, например для передачи энергии электромагнитных волн на расстояние.
Устройство сбора электромагнитной энергии преобразует механическую энергию (вибрации) в электрическую. Один из вариантов реализации состоит в том, что обмотка, прикреплённая к колеблющейся массе, преобразует магнитное поле фиксированного магнита. Другой способ заключается в перемещении постоянной магнитной структуры, относительно которой обмотка удерживается фиксированной. На выходе обмотки в переменном магнитном поле по закону Фарадея наводится напряжение.
Компания Perpetuum реализовала вариант с перемещением магнита относительно стационарной обмотки. Достигнуто увеличение выхода мощности, фиксированные электрические соединения являются более надёжными. Напряжение может регулироваться для вывода на требуемых уровнях или для запаса.
Серия микрогенераторов Perpetuum с общим названием PMG (Perpetual Micro-Generators) представляет собой линейку продуктов, масштабируемых для промышленных беспроводных систем.
Автономный энергособиратель PMG FSH (Free-Standing Vibration Energy Harvester) (см. рис. 2а) обеспечивает сбор электромагнитной энергии, ее хранение и контроль. В состав этого устройства входит схема управления для заряда внешнего запасающего устройства током до 4 мА при 5 В. Уровни мощности задаются с помощью последовательного интерфейса с трёхвыводным стандартным соединителем. Датчики подключаются к энергособирателю проводным способом через этот соединитель, поэтому расстояние между ними ограничено. Поскольку сенсорные узлы независимы от внешней, например, настенной электропроводки, их можно считать беспроводными (см. рис. 2б). PMG FSH крепится магнитом или резьбовым способом.

а)	б)
Рис. 2. Микрогенераторы Perpetuum для промышленных применений: а) автономный энергособиратель PMG FSH; б) реализация машинных сенсорных узлов с автономным питанием

Для железнодорожных приложений компания разработала продукт PMG Rail, который генерирует 10–15 мВт в течение продолжительной поездки с типичными вибрационными частотами 30—60 Гц. Диапазон рабочих температур –40…85°C; выходы программируются при 3–10 В. PMG Rail используется в системах мониторинга подшипников, слежения за состоянием составов.
Энергособиратель Ferro Solutions Energy Harvesters (FSEH) представляет собой независимый источник мощности, который генерирует электричество от вибрации, питая силовые беспроводные трансиверы, датчики, микродвигатели и приводы. FSEH может замещать батареи для непрерывной работы, снижая стоимость беспроводных сенсорных сетей.
Компания Ferro Solutions разработала устройства с использованием двух энергособирающих технологий — электромеханической (индуктивной) и магнитоупругой (magnetoelastic, ME).
Электромеханические энергособиратели основаны на оригинальном дизайне магнита и обмотки, взаимодействие которых позволяет улавливать вибрацию. Целевые рынки — оборудование для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, насосы бойлеров, железнодорожный транспорт, реактивные двигатели.
В первую очередь, вибрационные энергособиратели интересны для питания датчиков вибрации, а также для датчиков, находящихся в вибрационном окружении. Проще собирать энергию высокочастотной вибрации, но в природе и технике преобладают низкочастотные вибрации. Если вибраций мало или они отсутствуют, другие источники энергии — свет, тепло или радиочастотная энергия — могут подключаться к механическому устройству.
Энергособиратели ME-типа — пример устройств, которые конфигурируются для использования в окружении с вибрациями и электромагнитными полями. Комбинирование пьезоэлектрических материалов с магнитными позволяет этим устройствам генерировать больше мощности. Данная технология подходит для ВЧ-окружения и переменных магнитных полей, а также для интеграции в оборудование с подвижными магнитами. Технология ME VEH хорошо подходит для бесконтактного удалённого заряда (беспроводной передачи мощности). Ключевые применения — вращательные машинные системы и медицинские устройства. В отличие от энергособирателей с проводным выводом мощности для питания сенсорных узлов, FS Energy Harvester используется как удалённый независимый источник питания, который непрерывно поставляет энергию туда, где его можно легко установить.
Компания Ferro разработала также гибридную сенсорную технологию на основе пассивной магнитоупругой электроактивной технологии (Passive Magnetoelastic Electroactive, PME) для подводного использования. Гибридный датчик, который поставляет данные от акустического и магнитного датчиков и также используется как магнитометр, представляет собой пример комбинирования пьезоэлектрических материалов с магнитными и сенсорного слияния. Компания добилась приближения чувствительности к магнитометрам SQUID-типа, но с меньшим потреблением мощности и в меньшем корпусе.
Если в одних системах используется только один источник собираемой энергии, в других случаях источников энергии может быть больше. Компания Midé, например, не только выпускает собиратели вибрационной энергии (Volture Vibration Energy Harvester), но и комбинирует их с собирателями солнечной энергии (Volture Solar Energy Harvester).
Вибрационный энергособиратель Midé основан на технологии пьезоэлектрического преобразования QuickPack. Преобразователь изготовлен из пьезоэлектрических материалов с электрическими выводами, защищёнными и изолированными при производстве.
Гибридный энергособиратель SEH20w (SEH25w) включает солнечную панель, установленную  в корпус Volture. Солнечная панель работает со стандартной электроникой Volture. В настоящее время Midé разрабатывает электронику следующего поколения, которая будет управлять солнечной и пьезоэлектрической энергией для интеллектуальной зарядки батарей.