能量收集在汽车制动系统中的应用

车辆提供各种各样的环境能源，足以供应低功率传感器甚至许多执行器。虽然电动车通过再生制动捕获动能以为牵引电池组充电，但传统动力车辆可利用各种可用的传感器和专用IC来利用可用的热能，振动能和太阳能。

能量收集提供为汽车，卡车和任何类型的车辆提供各种系统和附加装置的潜力。除了增加新功能的能力之外，能量收集还可以减去车辆重量和成本的相当大的组成部分。具体而言，消除甚至减少线束的能力意味着更轻的整备质量和更简单的车辆物理设计，转化为更高的性能，更低的成本和更大的设计灵活性。

对于电动汽车，关注能源采用改进的方法为主牵引驱动装置供电并为牵引电池充电。利用其他形式的能量收集可以有助于电动汽车的经济性。电动汽车中的主要牵引电池可以占车辆成本的一半，因此利用更多环境能源的能力可以使用从车辆内的更多来源再充电的更小的电池。

电动汽车可以通过制动系统，悬架和减震器从车辆的动能中回收大量能量。在这些方法中，制动仍然是当前可用车辆中能量收集的主要来源。为响应更高级别的速度控制算法，驱动电机控制器中的高级算法生成适当的三相电压和电流波形，以在驱动电机中产生所需的扭矩，从而逐渐减慢车辆的速度。除了降低制动器磨损外，产生的反电动势还会产生用于给电池充电的能量，从而产生再生制动效果。

当驾驶员进一步踩下制动踏板使车辆完全停止时，摩擦力制动产生能够为牵引电池充电的额外能量。更先进的车辆结合了两种方法，以最大限度地从车辆的动能运动中获取能量。在这些车辆中，控制器协调再生制动和摩擦制动，从100％再生转换到100％摩擦制动，这取决于制动踏板被压下的距离和强度（图1）。

图1：先进的车辆使用扭矩混合将再生制动与摩擦制动相结合，以最大限度地从车辆动能中获取能量（Robert Bosch GmbH提供）。

温度差异

随着车辆的质量和速度，动能收集仍然是环境动力的最大来源。尽管如此，车辆产生的热量和振动都可以作为重要的能量来源。在传统的内燃动力车辆中，来自发动机和排气系统的热量可以使用热电发电机（TEG）产生大量功率。

利用TEG进行能量收集利用塞贝克效应，其中电流流入当导体的两个结保持在不同温度时，由两个不同导体形成的环。现代TEG可以从车辆运行中发现的各种大温差产生大电压输出。在最大温差下，CUI CP85系列可以产生高达15.4 V的电压，而Laird Technologies PolarTEC系列包括能够产生高达35.9 V的设备。通常，TEG的最大温差完全在散热水平范围内。来自内燃机和排气系统。

工程师还可以从距离发动机和排气系统更远的更温和的温差中获取能量。对于这些应用，凌力尔特公司的LTC3108和LTC3109等专用能量收集设备能够在小温差工作时从TEG产生的超低电压输出电平中清除功率。两款线性器件均集成了高效升压转换器，能够从低至20 mV（LTC3108）和30 mV（LTC3109）的输入电压水平获取能量。 LTC3109扩展了LTC3108的功能，其片上电路设计用于从任一极性的输入电压产生功率。

振动能量

振动为车辆提供了重要的可收集能源并且对于诸如轮胎压力监测系统（TPMS）中所需的无线传感器系统尤其有用。连接到每个轮胎的阀杆，每个TPMS单元在由中央TPMS控制单元询问时无线传输轮胎压力测量值（图2）。

图2：车辆轮胎压力监测系统中的低功率无线传感器可以通过能量存储设备进行振动能量收集，即使在车辆停放时也能延长运行时间（东芝公司提供）。

虽然通常需要补充电池或其他储能设备来确保即使对于静止车辆也能持续进行轮胎压力监测，但可以使用压电传感器从振动能量收集中提供低功率轮胎安装系统。 。由诸如锆钛酸铅（PZT）的陶瓷或诸如聚偏二氟乙烯（PVDF）的含氟聚合物膜制成，用作振动传感器的压电装置通常安装在悬臂结构中，在一端安装到固定平台。当振动导致压电器弯曲时，器件会产生与运动幅度成比例的交流电压。

可用的压电器件，例如Measurement Specialties LDT系列和Mide Technology Volture系列中的压电器件可产生输出电压在最大偏转的几十瓦特，同时仍然在更适度的水平产生一位数的电压电平。 Measurement Specialties LDT0可产生约7 V输出，偏转仅为2 mm（图3）。

图3：悬臂式压电器件，如即使偏转幅度很小，Measurement Specialties LTD0也能产生很大的电压水平（由Measurement Specialties提供）。

为了从压电设备中获取能量，凌力尔特公司的LTC3588-1集成了全波桥整流器和同步降压转换器提供简单的振动能量收集解决方案，只需极少的外部元件。对于传感器数据处理和无线功能，工程师可以利用集成无线子系统的各种可用MCU，例如Atmel ATMEGA系列（包括Atmel的ATMEGA128RFA1），赛普拉斯半导体PRoC系列和德州仪器CC2511系列等。这些高度集成的器件结合了MCU内核，片上存储器和无线功能，只需少量外部元件即可完成无线传感器子系统（图4）。

图4：高度集成的MCU（如Atmel ATMEGA128RFA1）结合了MCU内核，外设和无线功能，只需少量外部组件即可实现无线系统（图示由Atmel）。

虽然车辆的热量和振动提供了容易获得的能源，但太阳能仍然是合适地理区域的可行来源。丰田普锐斯等车型已经包括太阳能通风系统，旨在帮助车辆停放时冷却车辆内部。

第三方太阳能解决方案可以利用高效非晶硅材料例如三洋Amorton系列非晶太阳能电池中使用的那种。对于非线性传感器，如太阳能电池，工程师需要将太阳能电池维持在其最大功率点（MPP）输出水平，以确保最佳能量收集。专为此目的而设计的设备包括Cymbet CBC915，凌力尔特公司LTC3105和德州仪器BQ25504集成的最大功率点跟踪（MPPT）功能，能够响应波动的太阳辐射水平，并将太阳能电池保持在其MPP水平最大化结论

车辆提供多种能源，能够为各种系统和电路供电。虽然再生制动提供了为电动车辆中的牵引电池再充电所需的高能量，但来自传统燃烧动力车辆的热量和振动为辅助功能提供了现成的能量来源。利用可用的能量传感器和专用IC，工程师可以利用车辆中的能源为无线传感器系统和其他低功率车辆电子子系统提供电力。