能量收集從滿足電源管理需求開始
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
2. WSN的占空比（即數(shù)據(jù)讀取和傳輸操作必須具備的頻率）
3. 輔助儲存器（電容器、超級電容器或電池）的大小和類型
4. 是否可提供既能充當(dāng)主能量源、同時又擁有充分剩余能量（用于當(dāng)其在某些特定時段內(nèi)不可用時為輔助電能儲存器充電）的足夠環(huán)境能量?
最先進和現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù)（例如振動能量收集和室內(nèi)光伏技術(shù)）在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統(tǒng)一般能在電能耗盡后再充電，而這一點主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。
正如已經(jīng)討論的那樣，環(huán)境能源包括光、溫差、振動波束、已發(fā)送的RF信號，或者其他任何能通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。下面的表2說明了從不同能源可產(chǎn)生多少能量。要成功設(shè)計一款完全獨立的無線傳感器系統(tǒng)，需要現(xiàn)成的節(jié)電型微控制器和換能器，并要求這些器件消耗最小和來自低能量環(huán)境的電能。幸運的是，低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年左右了，不過只是在最近，超低功率收發(fā)器才投入商用。然而，在這一系列環(huán)節(jié)中，處于落后的一直是能量收集器。現(xiàn)有的能量收集器模塊實現(xiàn)方案（如圖1 所示）往往采用低性能和復(fù)雜的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括30個或更多的組件。此類設(shè)計轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流高。這兩個不足之處均導(dǎo)致最終系統(tǒng)的性能受損。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時間，反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時間間隔。高靜態(tài)電流則對能量收集源的輸出能達到的最低值有所限制，因為它必須首先提供自己工作所需的電流，多出來的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個領(lǐng)域，凌力爾特公司最近推出的產(chǎn)品LTC3109、LTC3588-1和LTC3105使性能和簡單性上提升到一個新水平。這些能量收集IC所帶來的新性能水平是采用分立式方案完全無法實現(xiàn)的。因此，它們由于能夠收集非常低的環(huán)境能量而成為了推動能量收集系統(tǒng)制造商成長的“催化劑”。憑借這種性能水平，再加上換能器、微控制器、傳感器和收發(fā)器經(jīng)濟合算的價位，使其市場接受度得以提升。這也是此類系統(tǒng)在全球范圍的眾多應(yīng)用中受到大量關(guān)注的原因之一。
表2 ：能源以及它們可產(chǎn)生多少能量。
一個現(xiàn)實世界的例子：“飛機健康狀況監(jiān)視”
今天，大型機群的結(jié)構(gòu)性疲勞是一個現(xiàn)實問題，因為如果忽視該問題，就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。目前，飛機結(jié)構(gòu)狀況是通過多種檢查方法來監(jiān)視的，如通過改進的結(jié)構(gòu)化分析和跟蹤方法，通過采用評估結(jié)構(gòu)完整性的創(chuàng)新理念，等等。這些方法有時又統(tǒng)稱為“飛機健康狀況監(jiān)視”方法。在飛機健康狀況監(jiān)視過程中，采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法以實時進行連續(xù)的健康狀況評估。
聲發(fā)射檢測是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的領(lǐng)先方法。這種方法可以方便地用來診斷合成型飛機結(jié)構(gòu)的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即采取維修行動。這種檢測方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面，通過三角定位能夠定位裝載了傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。
因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結(jié)構(gòu)分析，不過為這些傳感器供電可能很復(fù)雜。因此，如果以無線方式供電或者甚至自助供電，那么這些傳感器模塊就可以更方便地使用，效率也更高。在飛機環(huán)境中，存在很多“免費”能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然和可以方便地利用的方法是熱能收集和/ 或壓電能收集。
在典型的飛機發(fā)動機情況下，其溫度可能在幾百℃到1,000℃甚至2,000℃的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機械能（燃燒和發(fā)動機推力）的形式損失了，但是仍然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，那么要考慮的主要方程是：
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（TEG）使用更多熱量（Q），產(chǎn)生更多功率（P）。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器自然產(chǎn)生兩倍的功率，因為它們可以獲取兩倍的熱量。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)電阻的增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而有所不同，有時使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器而不是使用較大的熱電發(fā)生器會更好。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用熱電發(fā)生器產(chǎn)品。
通過給一個組件施加壓力，可以產(chǎn)生壓電，而壓電反過來又產(chǎn)生一個電位。壓電效應(yīng)是可逆的，展現(xiàn)正壓電效應(yīng)（當(dāng)加上壓力時，產(chǎn)生一個電位）的材料也展現(xiàn)反壓電效應(yīng)（當(dāng)加上一個電場時，產(chǎn)生壓力和/ 或應(yīng)力）。
為了優(yōu)化壓電換能器，需要確定壓電源的振動頻率和位移特性。一旦確定了這些電平，壓電元件制造商就能夠設(shè)計一款壓電元件，以機械的方式將其調(diào)諧至特定的振動頻率，并確定其尺寸以提供所需的功率量。壓電材料中的振動將觸發(fā)正壓電效應(yīng)，從而導(dǎo)致電荷積聚在器件的輸出電容上。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。既然每次撓曲產(chǎn)生的電荷量相對較少，那么有必要對這個AC信號進行全波整流，并在一個輸入電容器上逐周期積累電荷。
就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問題。不過，不管選擇哪一種方法，這兩種方法都是可行和現(xiàn)實的解決方案，可以非常方便地與現(xiàn)有技術(shù)一起使用。下表總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點：
注1：在飛機中獲得溫度差的最佳途徑是，獲取飛機機艙內(nèi)“皮”溫度與機艙內(nèi)部溫度之差。
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