MIT：自供电传感器的能源管理设计指南
2024-02-07 10:31:13   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出了一种能够从周围环境采集能量的无需电池、自供电传感器。

由于它没有需要充电或更换的电池，也不需要特殊的布线，因此，这种传感器可以嵌入很多难以触及的应用场景，例如船舶发动机的内部结构中。在那些场景中，利用这类传感器可以长期自动收集有关设备电耗及运行情况的数据。

作为示例，研究人员构建了一种温度感应装置，它能从电线周围产生的磁场中捕获能量。人们只需将该传感器夹在带电导线（可能是为电机供电的导线）周围，它就会自动收集并储存能量，进而监测电机的温度。

“这就是环境电能，我们无需通过特定的输电线连接就能获得能量。”该论文通讯作者、MIT电子研究实验室成员、电子工程与计算机科学（EECS）教授兼机械工程学教授Steve Leeb说，“这使这类传感器的部署和安装变得非常简单。”

这项研究成果已经以“Rule the Joule: An Energy Management Design Guide for Self-Powered Sensors”为题发表于近期的The IEEE Sensors Journal。在文章中，研究人员为能量收集传感器提供了一个设计指南，帮助工程师平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。

通用自供电系统关键设计模块概览

这种多用途设计框架并不局限于收集磁场能量的传感器，还可以应用于收集其他能源（如振动或阳光）的传感器，进而为工厂、仓库以及商业场所构建安装及维护成本更低的传感器网络。

“我们提供了一个无电池传感器的范例，它能做一些有用的事情，证明了这是一种切实可行的解决方案。利用我们的设计框架可以构建更广泛的自供电传感器。”该论文主要作者、电子工程与计算机科学研究生Daniel Monagle表示。

美国海军学院武器与控制工程副教授John Donnal主要从事舰船系统的监控技术开发，他没有参与这项研究。他说，要在舰船上部署电源供电很困难，因为插座很少，而且，对可以插入哪些设备有严格限制。

John Donnal教授补充称：“例如，持续测量泵的振动，可以为船员提供轴承和支架健康状况的实时信息，但为加装的传感器供电往往需要大量额外的基础设施，以至于放弃这个想法。利用这样的能量收集传感系统，可以在船舶上加装各种诊断传感器，大大降低整体维护成本。”

这种能源管理接口是自供电、无需电池传感器的“大脑”，它可以从导线周围产生的磁场中获取运行所需要的能量

自供电传感器设计指南

研究人员需要解决三大挑战，才能开发出有效、无需电池的能量收集传感器。

首先，系统必须能够冷启动，这意味着它们可以在没有初始电压的情况下启动电子器件。研究人员利用集成电路和晶体管网络解决了这一问题，使系统能够储存能量，直到达到一定的阈值。只有当系统储存了足够的能量，可以完全运行时才会启动。

其次，系统需要在不使用电池的情况下高效地储存并转换所收集的能量。尽管可以在系统中加入电池，但这会增加系统的复杂性，并带来潜在的火灾风险。

“用户完全不需要考虑更换电池的问题。因为，我们的系统是免维护的，它完全通过采集环境能量来运行。”Monagle补充道。

为了实现无需电池，研究人员采用了包括一系列电容器在内的内部储能技术。电容器比电池更简单，它将能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由各种材料制成，其功能可根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。

研究小组对电容器进行了精心设计，使其足够大，以储存器件启动及开始收集电能所需要的初始能量，但它又足够小，因而其充电过程不会花费太长时间。

此外，由于这种传感器可能会在数周甚至数月后才启动测量，而电容器中的部分能量会随着时间的推移而泄漏，因此，研究人员要确保电容器能够维持足够的能量。

最后，他们开发了一系列控制算法，对器件收集、储存及使用的能量进行动态测量和预算。微控制器是能源管理接口的“大脑”，它不断检查储存了多少能量，并推断是否要打开或关闭传感器，进行测量，或者将能量收集调整到更高的档位，以便收集更多能量，满足更复杂的传感需求。

Monagle解释说：“就像变速自行车换挡一样，能量管理接口会查看能量收集器的工作情况，根据其‘发力’情况调整电子负载，从而最大限度地提高能量收集功率，并使其与传感器的需求相匹配。”

自供电传感器

利用这一设计框架，研究人员针对一款现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该器件采集磁场能量，用于持续采集温度数据，然后通过蓝牙将数据发送到智能手机。

研究人员起先利用超低功耗电路设计该装置，但很快发现，这些电路可承受的电压有严格限制，收集过多的电能可能会导致器件崩溃。

为了避免这种情况，他们将微控制器中的能量收集器运行系统设计为在存储的能量过多时自动调整或减少收集量。

他们还发现，温度传感器采集数据后的通信传输，是目前为止最耗电的运行环节。Monagle说：“确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一项长期的挑战，这需要精心设计。”

未来，研究人员计划探索能耗更低的数据传输手段，例如光学或声学方法。他们还希望更严格地模拟并预测进入系统的能量，以及传感器测量所需要的能量，以使设备能够有效地收集更多数据。

“如果系统只进行我们认为需要的测量，可能会错过一些真正有价值的信息。如果让传感器捕捉更多的信息，关于设备运行，我们可能会了解到一些意想不到的信息。我们开发的设计框架可以帮助大家平衡这些考量因素。”Leeb说。

“这篇论文针对现实应用场景，详尽阐述了实用化自供电传感器节点的内部结构设计。整体设计指南，尤其是关于冷启动问题的指南，非常有帮助。”佛罗里达州立大学工程学院电气与计算机工程助理教授Jinyeong Moon没有参与这项研究工作，他表示，“有意为无线传感器节点设计自供电模块的工程人员将从这些指南中获益匪浅，轻松解决过去与冷启动相关的繁琐问题。”

论文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2023.3336529

延伸阅读：

《热电能量收集及其它零排放热能发电-2022版》

《环境气体传感器技术及市场-2023版》