Если вы ищете решение для создания автономной системы, не требующей замены батареи, то плата STEVAL–ISV020V1 от STMicroelectronics может быть идеальным решением. Эта плата состоит из микросхемы сбора энергии SPV1050, которая способна использовать энергию, собранную солнечной панелью или термоэлектрическим генератором TEG, для зарядки батареи.
В этой статье мы рассмотрим ее особенности, функциональность и выходную мощность, а также некоторые потенциальные приложения. Кроме того, мы будем тестировать эту плату с различными входами в различных условиях освещения для зарядки различных устройств хранения энергии, чтобы показать ее в действии. Позже в статье мы проанализируем полученные данные, чтобы увидеть, можно ли использовать эту плату с любой существующей установкой или нет.
Что такое сбор энергии?
Сбор энергии — это метод использования энергии из внешних источников, таких как ветер, солнце, движение или даже сигналы Wi-Fi, для использования в небольших и портативных приложениях, таких как беспроводные датчики, автоматизация или проекты, такие как носимая электроника, интернет вещей (IoT) или приложения для умного дома, которым требуется беспроводная сенсорная сеть. Его можно использовать для питания устройства или для хранения энергии в батарее или конденсаторе для будущего использования. Ниже представлена простая схема, показывающая, как происходит сбор энергии.
Микросхема сбора энергии и зарядки аккумуляторов SPV1050
Steval-ISV020V1 — это плата, которая оснащена микросхемой SPV1050, сверхнизкоэнергетическим сборщиком энергии. Главной особенностью этой платы является то, что она может заряжать различные химические аккумуляторы, используя очень низкую энергию от солнечных панелей или даже охладителей Пельтье, также известных как термоэлектрические генераторы. Что делает эту плату выдающейся, так это ее способность использовать ничтожно малое количество тока и напряжения, вырабатываемых солнечными панелями. Изображение платы показано ниже.
Эта плата способна заряжать аккумулятор даже при токе на входе в несколько микроампер. Возможность заряжать батарею в широком диапазоне входного напряжения и тока делает ее очень полезным устройством. Схема платы показана на следующем рисунке.
На представленной схеме U1 обозначает SPV1050, перемычки J1, J2, J3 используются для включения или выключения MPPT. CN2, 8-контактный винтовой разъем используется для подключения батареи для получения сигналов состояния батареи. 2, 5-контактные штыревые переключатели используются для управления LDO (Low-dropout регулятор — линейный регулятор напряжения), а 4-контактный винтовой разъем рядом с ним обозначает разъем для подключения нагрузки LDO.
Эта плата с низким потреблением энергии может работать на внутренних фотоэлектрических системах или термоэлектрических генераторах (термоэлектрических генераторах Пельтье). Она имеет конфигурацию понижения-повышения и оптимизированную конфигурацию системы, чтобы SPV1050 работал с более высокой эффективностью.
Плата способна принимать входное напряжение от 2,6 В до 9 В с возможностью использования тока до 10 мкА. Такой большой диапазон позволяет плате заряжать различные химические элементы аккумуляторов, такие как литий-ионные, никель-металлгидридные, твердотельные аккумуляторы или даже суперконденсаторы.
Как использовать эту плату с более мощными солнечными панелями или TEG?
При изменении пассивных компонентов, т. е. входных резисторов и конденсаторов, ее можно использовать с более мощными фотоэлектрическими панелями или даже с термоэлектрическим генератором (TEG). Для зарядки различных химических составов аккумуляторов нам необходимо изменить настройки порога защиты от пониженного напряжения и порога напряжения окончания заряда в соответствии с требуемым входом и выходом. Это можно сделать, изменив несколько пассивных компонентов на плате. Внеся необходимые изменения, рабочий диапазон можно расширить со 150 мВ до 18 В, до 100 мА, до 2,2 В и до 5,3 В.
Основные характеристики Steval-ISV020V1:
- Первый запуск при Vin = 2,6 В
- Рабочий диапазон входного напряжения:
- 150 мВ > Vin > 18 В
- Напряжение аккумулятора в конце заряда: VEOC = 4,25 В
- Защита от пониженного напряжения аккумулятора: VUVP = 3,7 В
SPV1050: микросхема для сбора энергии
SPV1050 IC является сердцем платы Steval-ISV020V1. Это сверхмаломощный сборщик энергии со встроенным зарядным устройством для аккумулятора. Способный достигать высокой эффективности при малом форм-факторе, что имеет решающее значение для узла дистанционного зондирования. Эта микросхема использует топологию DC-DC Buck-Boost преобразователя с полным мостом , что делает его пригодным для использования с различными входами, такими как фотоэлектрические (PV) элементы или тепловые генераторы энергии (TEG). Наличие алгоритма отслеживания точки максимальной мощности (MPPT, maximum power point tracking algorithm) может увеличить собираемую энергию на 60%. SPV1050 доступна в 5 x 5 мм, 20-выводном корпусе QFN и в виде кристалла. На изображении ниже показана внутренняя структурная схема микросхемы SPV1050.
Функциональность MPPT, присутствующая в SPV 1050, программируется с помощью входного делителя резистора и позволяет максимизировать мощность источника при любых условиях температуры и освещенности. Алгоритм MPPT можно отключить, закоротив вывод MPP-SET на вывод STORE и подав внешнее напряжение на вывод MPP-REF.
Зарядное устройство
Микросхема имеет схему зарядного устройства аккумулятора, которая увеличивает срок службы и безопасность аккумулятора, она управляет интегрированным проходным транзистором между контактами STORE и BATT и реализует пороговые значения защиты от пониженного напряжения (UVP) и окончания заряда (EOC).
Основные характеристики SPV1050:
- Бестрансформаторные термоэлектрические генераторы и фотоэлектрические модули для сбора энергии
- Высокая эффективность для любого источника сбора энергии
- Максимальный ток зарядки аккумулятора до 70 мА
- Полностью интегрированный повышающе-понижающий DC-DC преобразователь
- Программируемый MPPT с помощью внешних резисторов
- Регулируемый уровень напряжения заряда аккумулятора от 2,6 В до 5,3 В (точность ± 1%)
- Регулируемый уровень напряжения разряда аккумулятора от 2,2 В до 3,6 В (точность ± 1%)
- Два полностью независимых LDO (выход 1,8 В и 3,3 В)
- Включение/выключение управляющих выводов LDO
- Функция отключения аккумулятора для его защиты
- Аккумулятор подключен и идет логика зарядки
Солнечные панели, используемые в качестве входов
Для демонстрации работы устройства сбора энергии я использовал солнечную панель от Powerfilm, SP3-37, а также другую солнечную панель, которая представляет собой комбинацию из двух панелей, купленных на веб-сайте ecommenrce. Для демонстрации работы модуля в понижающей и повышающей конфигурации, а также для демонстрации его работы в различных условиях освещения были использованы два разных входа.
СП3-37
Она относится к серии классических приложений, которые чрезвычайно гибки и предназначены для использования в помещениях для беспроводной электроники, носимых устройств и удаленных приложений. Эта конкретная солнечная панель не имеет УФ-стабилизированной поверхности, поэтому вам следует избегать длительного ее использования на открытом воздухе. На изображении ниже показан SP3-37 рядом с многофункциональным ножом Victorinox Champ. На изображении ясно видно, насколько тонка и мала эта солнечная панель.
Из самого названия можно сказать, что солнечная панель выдает 3 Вольта, а число 37 говорит о том, что ее ширина составляет 37 мм. Это солнечная панель весом 1,1 г, которую можно использовать в большинстве маломощных приложений. Технические характеристики солнечной панели следующие:
1 2 3 4 5 |
Максимальная выходная мощность (Pmax) = 70 мВт Максимальный выходной ток (Imax) = 22 мА Максимальное выходное напряжение (Vmax) = 3 В Ток короткого замыкания (Isc) = 28 мА Напряжение разомкнутой цепи (Voc) = 4,6 В |
Вольт-амперная характеристика этой тонкопленочной солнечной панели выглядит следующим образом:
Соединительный провод к SP3-37
Чтобы припаять гибкую солнечную панель SP3-37, нагрейте жало паяльника и проведите им по серебряной части. Соскребите верхнюю пластиковую пленку горячим жалом паяльника, и вы увидите, как пластик сгорает, образуя нишу в вашей солнечной панели. Расплавьте и поместите немного припоя в нишу, которую вы только что создали, соскребая весь оставшийся пластик. Наконец, залудите провод и подключите его к солнечной панели в этом месте.
Установка двух солнечных панелей
Другая солнечная панель, использованная для тестирования, представляет собой комбинацию из 2 панелей с номиналом 5,5 В и 250 мА. Я заказал эти солнечные панели на сайте электронной коммерции. В описании говорилось, что это монокристаллическая солнечная панель мощностью 1,2 Вт. Я соединил обе панели мощностью 1,2 Вт параллельно, чтобы получить большую панель. Теоретически объединенная панель может выдавать мощность более 2,6 Вт.
При испытании установки солнечной панели на солнце были получены следующие данные:
1 2 |
Напряжение разомкнутой цепи Voc = 5,5 В Ток короткого замыкания Isc = 280 мА |
Уравнение максимальной мощности (PMAX , или иногда пишется MPP) получается путем умножения напряжения холостого хода (VOC) и тока короткого замыкания (ISC ), это дает грубую оценку мощности. Мы также принимаем во внимание коэффициент заполнения солнечной панели при расчете PMAX. Мы не можем измерить коэффициент заполнения без нагрузки, но обычно он составляет около 0,7. PMAX определяется по формуле:
1 |
PMAX=Voc×Isc×FF |
Таким образом, максимальная мощность этой солнечной панели по результатам нашего эксперимента составляет
1 |
PMAX=5,5×280мА×0,7 = 1,078 Вт |
Тестирование SP3-37
Благодаря своей гибкости SP3-37 имеет унаследованные преимущества, поскольку это делает ее более привлекательным для носимых устройств, где внешний вид и эстетика имеют первостепенное значение. Однако с другой стороны, ее эффективность ниже, чем у обычной солнечной панели аналогичных размеров.
SP3-37 с суперконденсатором
Напряжение разомкнутой цепи составляло 1,7 В, а ток короткого замыкания — 30 мкА (51 микроватт или 5,1*10^-6 Вт). В этом состоянии я использовал суперконденсатор емкостью 1 фарад, 5,5 В с этой установкой. Через 2 часа суперконденсатор зарядился на 0,137 В, что составляет 0,009385 джоулей или 9,385 мВт. Это в основном 1,6 мкВт энергии каждую секунду. Когда эта установка находилась снаружи на террасе, но не была обращена прямо на солнце, та же установка смогла зарядить суперконденсатор до 2,78 В с 0 за 3 часа (около 3,9 джоулей энергии). Он зарядился на 1,85 В за 2 часа (475,36 мкВт или 39,5 мкВт в секунду).
СП3-37 с аккумулятором
Я пытался заряжать аккумулятор с помощью SP3-37 в течение нескольких часов, но из-за низкой выходной мощности солнечной панели аккумулятор не мог получить существенного заряда, после чего я решил прекратить тестирование этой установки, поскольку продолжать ее не имело смысла.
Зарядка суперконденсатора с помощью двойной солнечной панели
Зарядка суперконденсатора с помощью солнечной панели в умеренно освещенном месте и зарядка суперконденсатора до 2,8 В, что составляет 19,6 Дж, что составляет около 2,18 милливатт в секунду. Более высокая энергия оправдана, поскольку выходная мощность этой установки намного выше, чем у SP3-37. Как показано на рисунке, выход модуля был между 4,1-4,2 В.
Двойная солнечная панель с аккумулятором
Я заряжал аккумулятор с помощью солнечной панели в умеренно освещенном месте, и он зарядил аккумулятор с 3,52 В до 3,538 В за 90 минут, что соответствует 21,6 Джоуля (4 милливатт в секунду). При повторном тестировании установки он зарядился на 60,48 Джоуля за 3 часа (с 3,538 В до 3,552 В за 3 часа), т.е. 5,6 милливатт в секунду.
Если установить двойную солнечную панель на террасе в дневное время, но не направлять ее прямо на солнце, то она зарядится на 970 джоулей за 2 часа, т.е. примерно на 135,5 милливатт энергии в секунду.
Учитывая, что аккумулятор имеет емкость 4,4 Вт·ч, эта установка сможет зарядить аккумулятор от 0 до 100% примерно за 33 часа. Это может показаться не очень эффективным методом, но, учитывая, что это небольшая портативная установка, которая должна быть укомплектована маломощной автономной системой, это имеет смысл. Ниже приведена таблица проанализированных данных:
Суперконденсатор | Аккумулятор | |||
Размещение | Внутри | Снаружи | Внутри | Снаружи |
Сп3-37 | 1,3 мкВт/сек | 237 мкВт/сек | — | — |
Двойная солнечная панель | 2,1 мВт/сек | — | 5,6 мВт/сек | 135,5 мВт/сек |
Как видим, положительные результаты есть от использования SPV1050, но есть и нюансы.
Где и как это можно использовать?
Эту плату можно использовать с микроконтроллерами сверхнизкого энергопотребления, такими как STM-32. Плата Node MCU способна потреблять ток силой всего 20 мкА в режиме глубокого сна. MCU узла может оставаться в режиме глубокого сна в течение 72 минут. Но энергопотребление можно рассчитать только на основе типов используемых датчиков и требуемой частоты передачи данных, после чего необходимо выбрать подходящую комбинацию солнечной панели и аккумуляторной системы. Изображение MCU узла показано на следующем рисунке.
Например, Node MCU использует 20 мкА в режиме глубокого сна и во время передачи требует энергии 120-170 мА. Если мы подключим его к датчику температуры LM35, который требует 60 мкА тока, даже наша тонкопленочная установка SP3-37 с суперконденсатором, размещенная в слабо освещенном месте, сможет запустить установку. Эту систему можно легко использовать для питания этой установки, отправляющей данные каждые несколько часов. Скелетная схема глубокого сна будет выглядеть так:
- ESP8266 подключается к Wi-Fi.
- ESP8266 выполняет задачу, считывает данные LM-35 и публикует сообщение MQTT.
- Переход в режим глубокого сна на заданный период времени.
- По истечении заданного времени ESP8266 просыпается, и весь процесс повторяется снова и снова.
Приложения
Возможность зарядки даже малым количеством энергии делает эту плату пригодной для использования во множестве приложений. Ее можно использовать во всех автономных системах, требующих малой мощности. Наиболее подходящим применением для этой платы является носимая электроника, устройства IoT, беспроводные датчики, умный дом, станция мониторинга погоды и т. д.
Заключение
Неважно, держите ли вы свой модуль сбора в хорошо освещенной комнате или в своей тихой и безмятежной комнате, неважно, насколько мал объем энергии, вырабатываемой вашей солнечной панелью или ТЭГ, этот модуль способен сделать энергию пригодной для использования, сохраняя ее в батарее или в суперконденсаторе для последующего использования. Он использует различные методы для кондиционирования заряда, чтобы поддерживать здоровье вашей батареи на высоком уровне, а его способность заряжать различные химические батареи — это просто вишенка на торте. Таким образом, этот модуль сбора энергии в сочетании с солнечной панелью сможет генерировать достаточно энергии для вашего маломощного приложения. Хотя вам, возможно, придется определиться с размером системы хранения и используемой солнечной панели, но будьте уверены, он сможет зарядить вашу систему.