0 引言

    胎壓傳感器是一種低功耗的無線傳感器^[1]，其安裝位置為高速轉(zhuǎn)動(dòng)的汽車輪胎內(nèi)部，經(jīng)常處在一種高溫、高壓而且快速轉(zhuǎn)動(dòng)的工況中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境無法提供安全穩(wěn)定的外部電源。市場(chǎng)上的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍使用紐扣電池作為胎壓傳感器的能量源，在電源耗盡之前需要更換電池，不僅更換起來極為麻煩，而且廢舊的電池會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

    傳感器無源化指的是不需要外部電源或者電池供電，依靠傳感器自身獲取自然或環(huán)境中能量使傳感器正常工作^[2]。胎壓傳感器的無源化可以從根本上解決供電問題，而且實(shí)現(xiàn)胎壓傳感器的無源化具備以下基礎(chǔ)：

    (1)隨著工藝技術(shù)的不斷提升，胎壓傳感器的集成度越來越高，需要的外圍電路越來越簡單，大大地降低了胎壓傳感器的功耗，比較常見的型號(hào)如英飛凌的SP37、恩智浦的FXTH87等。

    (2)近幾年來針對(duì)環(huán)境能量的收集技術(shù)的研究越來越受到重視，多種形式的能量收集方式被提出，多種高效的能量收集結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來^[3]。

    (3)集成電路技術(shù)在能量收集電路中的應(yīng)用，使得能量管理電路的功耗更低，效率更高，多種電能管理芯片被開發(fā)出來。

    能量收集方式主要根據(jù)傳感器的工作環(huán)境和工況決定，胎壓傳感器在劇烈運(yùn)動(dòng)的工況下工作，并處在一種高溫、高壓的環(huán)境中，適合的收集方式有熱電式、壓電式和電磁式。國內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)大學(xué)對(duì)無線無源的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）進(jìn)行了研究并取得了一定的成果。吉林大學(xué)設(shè)計(jì)了壓電式能量收集裝置，利用收集的能量成功地讓胎壓傳感器正常工作了一段時(shí)間^[4-5]。南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一種電磁式無線無源胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了胎壓傳感器的供電^[6]。

    壓電式和電磁式都是收集汽車輪胎上的振動(dòng)能量，能量收集裝置的振動(dòng)部件受到疲勞壽命等因素的影響，其可靠性不高，實(shí)用性不強(qiáng)。熱電式能量收集方式收集的是溫差能量，不存在任何的移動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單可靠，不需要維護(hù)，而且只需要提供足夠的熱源就輸出電能，相對(duì)于其他形式的收集方式具有很大的優(yōu)勢(shì)。

1 能量收集結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)

    溫差發(fā)電器件原理基于塞貝克效應(yīng)，可以直接將溫差能量轉(zhuǎn)化為電能^[7]。圖1所示為熱電器件結(jié)構(gòu)示意圖，通常由數(shù)百個(gè)N型和P型材料的柱體結(jié)構(gòu)組成，從電路上看它們通過串聯(lián)方式增加溫差電勢(shì)，而在傳熱方面通過并聯(lián)連接增加熱能的使用效率。當(dāng)器件兩端存在溫差時(shí)，熱場(chǎng)驅(qū)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)并在回路中形成溫差電流，以此來輸出功率。

1.2 熱電器件的理論分析

    熱電器件的能量輸出功率和轉(zhuǎn)化效率通常表示為：

    無量綱值ZT_M通常用來衡量熱電材料性能的優(yōu)劣。目前在100 ℃以內(nèi)的熱電發(fā)電應(yīng)用中，已經(jīng)商業(yè)化使用的高效率熱電材料為碲化鉍，其ZT_M在0.6~0.7之間^[8]。至今為止已發(fā)表的文章中ZT_M最高達(dá)到了2.4^[10]，如果能夠普及和應(yīng)用就能大大增強(qiáng)溫差發(fā)電的能力。

    從式(1)和式(2)可以看出，熱電器件的輸出功率主要由粒子對(duì)數(shù)n和溫差ΔT決定，轉(zhuǎn)化效率主要與材料特性有關(guān)。所以，選擇高ZT_M值的熱電材料并且增加粒子對(duì)數(shù)可以提升熱電器件的輸出功率。

1.3 熱電器件的輸出特性分析

    圖2所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輪胎內(nèi)外溫差曲線，測(cè)試地點(diǎn)為北京，時(shí)間為2018年5月，室外平均溫度25 ℃，平均時(shí)速30 km/h。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著汽車行駛時(shí)間的增加，輪胎內(nèi)外的溫差不斷升高并在50 min后超過10 ℃，實(shí)驗(yàn)證明行駛的輪胎可以為熱電器件提供較高的熱流，并提供電能輸出。

    圖3所示為熱電器件的輸出特性，本實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為TEG1-241-1.4-1.2的熱電器件，每一個(gè)器件由241對(duì)熱電粒子組成，材料為碲化鉍。器件的輸出電壓為毫伏級(jí)別，輸出功率為微瓦級(jí)別，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知在10 ℃的溫差范圍下，單片熱電器件的開路電壓達(dá)到了100 mV，且輸出電壓隨著溫差不斷升高而增大。

2 能量收集電路設(shè)計(jì)

    凌力爾特公司推出了一種電源管理芯片LTC3108，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱能量的管理和利用。電路輸入端采用了一個(gè)小型的升壓變壓器，利用一個(gè)耗盡型N通道MOSFET開關(guān)來形成一個(gè)諧振升壓振蕩器，可以將最低20 mV的電壓升高，并提供給其他電路使用。輸出端V_out可設(shè)定4種不同的電壓輸出：2.5 V，3 V，3.7 V和4.5 V，輸出端V_out2具有邏輯控制功能，V_store端口可以為電池充電^[10]。

2.1 能量收集策略分析

    分析胎壓傳感器的電路可知，胎壓傳感器的供電電壓在3 V左右，而能量收集電路的本質(zhì)是通過電荷的累積和釋放來為傳感器供能，當(dāng)電荷累積不足時(shí)，電路就無法提供足夠的電壓來驅(qū)動(dòng)傳感器。需要說明的是，如果將能量收集電路的輸出端直接和傳感器負(fù)載連接，電荷將隨著負(fù)載回路流失，最終造成驅(qū)動(dòng)電壓永遠(yuǎn)也無法達(dá)到可以驅(qū)動(dòng)傳感器的電壓準(zhǔn)線^[11]。

    圖4所示為設(shè)計(jì)的能量收集策略示意圖，首先利用開關(guān)將傳感器負(fù)載和電能輸出端隔離開，利用能量收集電路收集電能，并儲(chǔ)存在電容中。當(dāng)電容中的電能儲(chǔ)存足夠時(shí)，控制開關(guān)閉合并驅(qū)動(dòng)胎壓傳感器工作。

2.2 能量收集電路設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)選用N-MOS作為開關(guān)，通過控制能量收集電路與傳感器的電路的負(fù)極是否共地來控制電路中的電流。選擇英飛凌的SP370傳感器作為負(fù)載，LTC3108作為能量管理芯片，電容C₄作為存儲(chǔ)電容。圖5所示為設(shè)計(jì)的電路原理圖，變壓器T1型號(hào)為LPR6235-752RMR，升壓比1:50，MOS管S1型號(hào)為AO3400。

    如圖6所示，LTC3108芯片的PGD端口可作為閾值電壓檢測(cè)輸出端口。當(dāng)V_out輸出電壓達(dá)到電壓3.4 V時(shí)，PGD端口輸出高電位信號(hào)，但PGD無法直接驅(qū)動(dòng)MOS管，于是將PGD端口與使能端V_out2-EN連接，利用可控輸出端V_out2為MOS管提供柵極電壓。具體的控制過程如下：

    (1)充能狀態(tài)：當(dāng)TEGs開始輸出電能時(shí)，能量收集電路開始工作，電容C₄開始存儲(chǔ)電能，V_out上升。此時(shí)，PGD輸出低電平，S₁關(guān)斷，傳感器電路與能量收集電路斷開。

    (2)導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)V_out=3.4 V時(shí)，PGD輸出高電位，通過使能端控制V_out2=3.3 V，S₁接通傳感器電路的負(fù)極形成回路，并在傳感器兩端產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓。

    (3)關(guān)斷狀態(tài)：傳感器電路與能量收集電路接通后，V_out電壓下降，PGD不再為使能端V_out2-EN提供高電平信號(hào)。電容C₃和電阻R₁組成延時(shí)關(guān)斷電路控制S₁延時(shí)關(guān)斷，為胎壓傳感器提供足夠的工作時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

    本實(shí)驗(yàn)采用可編程線性直流電壓電源DP832A模擬100 mV的熱電器件電能輸出，設(shè)定輸入電壓V_in=100 mV，輸入電流I_in=10 mA，輸入功率P_in=1 mW。利用安捷倫數(shù)字萬用表采集存儲(chǔ)電容C₁兩端、N-MOS柵源極和負(fù)載兩端的電壓波形，并分析能量收集電路對(duì)微能量的使用效率。

    圖7所示為在S₁的柵源極電壓波形，圖8為電容C₁兩端電壓波形。試驗(yàn)表明在100 mV，1 mW的毫瓦級(jí)的低功率的輸入下，V_out2端口成功實(shí)現(xiàn)了根據(jù)存儲(chǔ)電容C₁的狀態(tài)控制MOSFET的接通和斷開。圖8所示為儲(chǔ)能電容C₄電壓波形，從電壓波形可以看出能量收集電路的積累和釋放的過程，在每一個(gè)周期內(nèi)，儲(chǔ)能電容C₄電壓在MOSFET的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)上升至3.4 V，在MOSFET的導(dǎo)通期間，電容電壓從3.4 V釋放電流，并下降至3.15 V，然后在MOSFET的控制下重新開始收集電能。分析數(shù)據(jù)可知，能量收集電路可以驅(qū)動(dòng)胎壓傳感器每4.5 s發(fā)射一次數(shù)據(jù)，基本滿足了胎壓傳感器的平時(shí)工作要求，具有相當(dāng)好的實(shí)際應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

    本文提出了一種應(yīng)用于胎壓傳感器的溫差能量收集方式，通過分析熱電器件的輸出特性設(shè)計(jì)了一款能量收集溫差能量的電路，該電路可以通過積累和釋放的方式收集電能，實(shí)現(xiàn)了在低至100 mV的電壓下收集能量，并成功地驅(qū)動(dòng)胎壓傳感器的工作。需要說明的是，為了增加輸出功率和電壓，溫差發(fā)電裝置通常由多個(gè)熱電器件串聯(lián)起來工作，實(shí)際運(yùn)用中，熱電器件的輸出電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100 mV，胎壓傳感器的驅(qū)動(dòng)周期也比4.5 s更小。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來還會(huì)有更高ZT_M的熱電材料得到應(yīng)用，利用溫差能量收集電能來為TPMS供電具備巨大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] 冷毅，王小平，何方敏，等.基于無線胎壓傳感器的耗能研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(3)：377-382.

[2] 祝志祥，陳新，馬光，等.無源傳感器的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].智能電網(wǎng)，2015(3)：191-195.

[3] PERTON M，AUDOIN B，PAN Y D，et al.Energy harvesting vibration sources for microsystems applications[J].Measurement Science & Technology，2006，17(12)：175-195.

[4] 閆世偉.胎壓報(bào)警器用壓電供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2010.

[5] 陳龍.用于輪胎報(bào)警器壓電自供電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[6] 王昊.具有能量收集功能的汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[7] WENSI W，VICTOR C，NINGNING W，et al.Thermoelectric energy harvesting for building energy management wireless sensor networks[J].International Journal of Distributed Sensor Networks，2013：761-764.

[8] ELSHEIKH M H，SHNAWAH D A，SABRI M F M，et al.A review on thermoelectric renewable energy: principle parameters that affect their performance[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2014，30(2)：337-355.

[9] VENKATASUBRAMANIAN R，SILVOLA E，COLPITTS T，et al.Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit[J].Nature，2001，413(6856)：597-602.

[10] QU Y，LIU Y.Applied research of energy collection system based on LTC3108[J].Machine Building & Automation，2015(4).

[11] MEEHAN A，GAO H，LEWANDOWSKI Z.Energy harvesting with microbial fuel cell and power management system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，26(1)：176-181.

作者信息:

王  姝1，2，林  騰3，焦斌斌2，4，孔延梅2，4，葉雨欣2，4

（1.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100160；2.中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029；

3.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)