【技术】基于TEG能量回收的无线传感供电技术

时间： 2018-06-08 来源：II-VI Marlow

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热电技术的创新应用通过热能转化成电能来给传感器供电或者收集废热补充总电源来提高生产效率。到2022年，热电发电机市场预计将增长到4098.36亿卢比（7.5亿美元），无线传感器应用将从2015年开始在这个市场上占据新的位置。

热电发机技术是II-VI MARLOW公司推出的基于NL1012T、NL1015T、NL1022T、NL1025T可为无线传感器供电的新型技术。热电能量回收能够为各种无线传感器供电，可产生免维护的可再生能源，从而降低电池供电型无线传感器的持续维护成本，为各种传感器和变送器提供数百μW至几mW的功率。本文将探讨用于为无线传感器供电的热电电源的TEG，散热器和DC-DC转换器之间的基本相互作用。

TEG设备基础

热电能量收集系统由热电发电机（TEG），通过TEG引导热量的散热器，将电压升压至DC-DC转换器以及能量存储器、可充电电池或超级电容器。图1是TEG系统的示意图。TEG被安装在热源处Tsource。热阻在TE元件的热侧，TH和热源之间。

图1 TEG系统示意图

大多数TEG收集能量至少需要一个散热片来引出热量，通常选择自然对流散热片。尽管自然对流散热器比强制对流散热器具有更高的热阻，但它不需要额外的风扇功率，从而降低了TEG的功率需求。在设计散热系统时，大多数工程师将首先针对给定的质量，体积或成本限制设计最佳的散热片。散热器的热阻越低，通过TEG的热量就越多，转化的电能就越多。

系统设计

现在可以讨论设计一个最佳的TEG能量收集系统，其中对热阻比率和电气负载电阻比率进行了适当的设计。如果将TEG的内部电阻与电气负载电阻相匹配，则可以从TEG或任何其他发电机获得最大功率。

对于给定的散热器热阻，如果将其与热阻非常低的TEG匹配，则会有更多的热量通过组件进行传输，但由于TEG的效率与TEG上的温差成比例，所以零功率将会转换成电力。如果TEG的热阻比散热片大得多，则TEG的温度会显著下降，因此效率会更高。但由于TEG的热阻非常大，所以TEG和散热器组件会产生很少的热量，从而产生零功率。此时存在一个最佳传播点，其中TEG热阻等于散热器热阻，会产生更多的功率，从而增多无线充电器的充电功率，如图2所示。

图2 功率效率图

总而言之，当电阻和热阻比等于1.0时，就会出现最佳的TEG功率点，此时无线充电功率越是最高的。

应用示例

在无线充电应用的示例中，TEG直接安装到类似于图1的热源。自然对流散热器具有相对较高的热阻，当使用25mm X 25mm横截面积散热片时，热阻为15 K / W，相对于环境温升较低，所以让HSR = 0，CSR = 15 K / W 。典型的DCDC转换器的电气负载电阻范围为2-6Ω，因此本例中设负载电阻RLoad =2.25Ω。另外，假设DC-DC转换器在TEG激活前至少需要20mV电压，所以Vmin = 20mV。表1包含了本例中最佳TEG所需的其他基本信息。

表2显示了电气电阻和热电阻比率，TEG电压和功率，以及激活DC-DC转换器的最低温度。

从表3可以看出，NL1025T产生的功率最大; 它的电气和热阻比率接近1.0。产生较少功率的TEG具有远低于1.0的电阻和热阻比。此外，NL1025T的 TEG电压最高，同时它还需要激活DC-DC转换器。计算电阻和热阻比率是评估能量收集系统的简单而有效的方法，也是评估无线充电效率的好方法。

II-VI Marlow公司推出的基于NL1012T、NL1015T、NL1022T、NL1025T的可为无线传感器供电的新型技术具有极好的市场前景，可提高无线充电的功率及效率。

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