能量采集器的案例
上海交大楊斌《ACS Nano》:真正意義上的自供電心臟起搏器！
自供能心臟起搏器設計圖
心臟起搏器是一種臨床上最為常見的輔助心功能的植入式醫療電子治療器件，通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖，通過導線電極的傳導，刺激電極所接觸的心肌，使心臟激動和收縮，從而達到治療由于某些心律失常、心力不足等所致的心臟功能障礙的目的。值得注意的是，所有的這些植入式心臟起搏器都是帶有一塊內置電池，目前主要采用高能量密度的鋰離子電池作為能量的供應來源。然而，由于內置電池所存儲的電量是固定的，起搏器的使用壽命也必然是有限，一般5-12年，周期性地進行起搏器更換手術是起搏器植入患者目前無法避免的，這種周期性更換術大大增加了高發病率患者的健康風險，也會給患者帶來巨大的經濟負擔，甚至增加了潛在的死亡率。另外，為了保障起搏器有足夠的能量維持正常的使用壽命，起搏器在功能完善和小型化等方面的發展也受到了極大制約。半個多世紀以來，能源供給成為起搏器壽命的直接因素，也是發展到今天所面臨的最大限制性因素。通過能量采集技術轉化體內本身豐富的生物化學能、機械能等為起搏器供能成為一種醫療器件可持續供能的重要解決方案而得到廣泛研究。無電池的自供能心臟起搏器也成為心臟起搏器重要發展趨勢。
入式能量采集器供能于心臟起搏器
該研究基于塊體壓電陶瓷的高性能壓電效應，通過化學機械拋光技術對塊體壓電陶瓷材料進行厚度方向上的微尺度加工控制，使得脆性的壓電陶瓷在薄膜化后能很好的適應襯底的柔性變形，并保持著塊體的高性能壓電系數，進而為制備高輸出性能的植入式壓電能量采集器提供了關鍵材料基礎。再利用彈性結構設計的壓電能量采集器轉化心臟跳動過程中的機械能為心臟起搏器可利用的電能。本課題組和第二軍醫大學合作將研制的囊狀結構柔性壓電能量采集器植入到豬的體內，目前實現了輸出電流15 μA，相比之前報道提高8.5倍，使得這一輸出滿足心臟起搏器的功能需求。
展開 基于電阻仿真的無線傳感器風能采集方法研究
摘 要：針對目前無線傳感器風能采集效率低和傳統最大功率點跟蹤算法(MPPT)不適用于微型系統的現狀,提出一種基于電阻仿真的無線傳感器風能采集方法。重點研究了電阻仿真技術,通過負載阻抗來模擬風機的源阻抗,使得電源和負載之間能夠達到良好的阻抗匹配,保證在任何運行風速下采集到的功率都是最大值,從而達到提高無線傳感器風能采集效率、延長其工作壽命的目的。最后通過實驗,驗證了該方法的有效性。
關鍵詞：無線傳感器網絡;風能采集;電阻仿真;最大功率點跟蹤;
0 引言
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一種基于無線射頻通信技術的多跳自組網絡,由部署在監測空間內的無線傳感器節點組成,在電力系統中多應用于智能電網技術[1,2,3,4]。然而,傳統節點的驅動方式限制了無線傳感器網絡的廣泛應用與深度拓展,節點的能量供應成為無線傳感器網絡技術面臨的首要問題。隨著環境能量收集技術的研究與發展,自供電無線傳感器節點的出現可以在很大程度上緩解能量瓶頸并改善網絡性能[3,4,5,6,7]。文獻[5,6]提出利用傳感器所處環境的風能和太陽能來為傳感器持續供電,卻忽略了能量采集的效率問題。文獻[7]提出利用風致振動的能量來驅動傳感器運行,但復雜的機械結構所導致的能量損失和設備的穩定性問題有待考證。對于一個微型風能采集系統,由于采集到的電功率通常非常低,且受到微型風力發電機運行狀態的制約。因此,最主要的問題是開發一種高效的功率變換器及與電子電路相關并包含最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法的微驅動,用于跟蹤和保持微型風機的最大輸出功率以維持無線傳感器節點在不同工況下的運行。而傳統的MPPT技術因其復雜的電路設計導致耗能過高,并不適用于微型風能采集系統。
展開 《Adv Mater》：一種完全柔軟和可伸縮的電雙層能量收集器！
來自北卡羅來納州立大學的學者介紹了一種完全柔軟和可伸縮(>400%應變)的能量采集器，該采集器基于可變面積雙電層電容器(≈40μF cm?2)。機械地改變EDL面積，從而改變電容，破壞平衡，并產生通過外部電路的電荷運動的驅動力。現有的EDL電容器通過抑制剛性電極之間的水滴來改變接觸面積。相反，在這里，收割機由包裹在水凝膠中的液態金屬電極組成。用≈25%的應變使器件變形產生功率密度≈0.5 mW m?2。這種非傳統的方法很有吸引力，因為：(1)它不需要外部電源來提供電荷；(2)電極本身可以變形；(3)它可以在各種變形模式下工作，例如擠壓、拉伸、彎曲和扭曲。這種收集器在水下作業的獨特能力顯示出在接觸汗水、水下傳感和藍色能源采集的可穿戴設備中有很好的應用前景。相關文章以“A Soft Variable-Area Electrical-Double-Layer Energy Harvester”標題發表在Advanced Materials。
展開 可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發電機作為電子皮膚用于生物力學能量采集和多功能壓力傳感
作為多功能傳感器，還要滿足高拉伸性、高靈敏度、寬感應范圍以及快速響應的要求。目前，多種柔性可拉伸的電子皮膚已經被成功開發出來，能夠測量人類活動所產生的電信號。這些傳感器是基于諸如壓電性、電容以及壓阻效應等不同機理。摩擦納米發電機是一種能夠實現能量富集和自供電的傳感技術，將其與電子皮膚相結合有望為下一代可穿戴電子產品、個性化醫療以及人機界面等領域帶來新的機會。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學院王中林教授課題組開發了一種簡單、低成本的方法制備可拉伸的摩擦納米發電機的方法，其可以用作多功能電子皮膚，并實現了生物力學能量的采集以及多種機械刺激的感知。通過在硅橡膠彈性體中嵌入連續的“鏈式”柵欄狀交錯的導電網絡，賦予了該種電子皮膚以良好的透明性和拉伸性、高壓敏感性以及優異的機械穩定性。研究表明，該摩擦納米發電機能夠點亮高達170個LED，而且其作為多功能傳感器能夠監測人的諸如動脈脈沖和聲音振動等生理信號。該成果以題為"A Stretchable Yarn Embedded Triboelectric Nanogenerator as Electronic Skin for Biomechanical Energy Harvesting and Multifunctional Pressure Sensing"發表在Advanced Materials上。
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南方科大《Nature Commun》：鈣鈦礦又被玩出了新花樣！
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21086-7
研究結果表明，基于DPV的電子捕獲檢測器隨著光強的變化表現出透明的深藍顏色，而基于MPV的電子捕獲檢測器根據光強表現出透明的藍品紅顏色。實現了高光學對比度、優異的光敏性和優異的穩定性。此外，能量收集、存儲和光調節可以敏感地改變對周圍光的實時響應。當陽光較強時，PSC收集的能量較多，使EC進入暗狀態，EC允許較少的太陽輻射進入建筑物，因此室內的人在弱光下比室外更舒適；另一方面，當陽光較弱時，PSC收集的能量較少，使EC進入相對明亮的狀態，EC可以允許更多的太陽輻射進入建筑物，這樣室內的人在更明亮的光線下會感到更舒適。此外，研究人員還可以通過ECDs的顏色和色度來評估光密度和存儲功率，儲存的電能成功地為LED提供了電源。這些結果表明，PSC供電的ECD在全天候智能窗簾和高級電子顯示器上有著巨大的應用潛力。然而，考慮到DPV和MPV的潛在毒性，PSC驅動的ECD在現代建筑和汽車中的應用需要嚴格的密封工作。
研究人員為了開發長期穩定、動態可調和多色的智能電子捕獲檢測器，合成了兩種包含MOV和DPV的單炔基取代紫精，合成路線如圖1所示。引入的炔基將與缺電子類建立供體-受體相互作用，甚至包括由著名的Sonogashira偶聯反應和最近報道的可見光誘導的自由基炔基遷移反應激發的自由基。
圖1 MPV和DPV的合成路線。
作為概念證明，凝膠型ECD與PSC集成在一起，用于自動調光。PSC因其光電轉換效率高、成本低、裝配技術成熟而被選為能量采集器和光探測器。組合裝置的工作原理圖如圖2所示。
展開 上海交大超柔性納米發電復合材料
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.025
隨著智能設備（即自驅動便攜式電子設備，多能量采集器和傳感器）的快速發展，旨在從環境中獲取能量的自供電納米發電/供電技術變得越來越重要和緊迫。壓電納米發電機由于其高效的機電轉換效率，重量輕，響應快而成為研究熱點。壓電陶瓷及單晶具有超高的壓電效應，但由于其本身的剛性和脆性所以并不能滿足柔性和可穿戴電子設備的設計要求。雖然有很多研究將壓電陶瓷粉體和聚合物進行混合可以獲得超柔性，但是非連續相的壓電結構設計導致低的能量收集效率。通過沉積壓電薄膜再轉移到柔性基底上雖然能夠保持很好的能量收集和保持一定的柔性，但是其工藝復雜、成本高不利于商業化大規模生產。因此設計和開發出一種超柔性且能高效地進行能量收集并可實現大規模生產的壓電納米發電材料顯得尤為重要和具有挑戰性。
本研究提出利用具有層次結構的電子級玻璃纖維布材料體系為基底，通過浸漬的方法在其上沉積具有層次結構的納米壓電發電材料。在所制備的壓電纖維布復合材料中，每根纖維表面都包裹了一層納米級厚度的PZT材料，每根纖維之間的PZT之間互相連接，形成了一種類似于玻璃纖維布的多層次結構。電子級玻璃纖維布本身所具有的宏觀超柔性和微觀剛性給予了這種壓電纖維布具有高效的能量傳遞、轉換以及超柔性。而且這種壓電纖維布可以實現插指電極掩膜設計和上下柔性電極貼合封裝設計。比如，一塊3.5cm×1.5cm大小的納米壓電纖維布利用插指電極在標準測試下能夠產生～60 V和～500 nA的輸出。一個8cm×8cm大小的納米壓電纖維布利用超柔性的導電聚乙烯碳膜作為上下電極在模擬人體運動的情況下能夠輕易點亮20個商用綠色LED燈。
展開 基于comsol的能量收集器仿真研究 ￥50
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現象，可將圓柱繞流產生的卡門渦街現象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產生的能量是如何轉換為結構的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網格功能。
幾何模型：
仿真結果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
基于comsol的能量收集器仿真研究 ￥50
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現象，可將圓柱繞流產生的卡門渦街現象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產生的能量是如何轉換為結構的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網格功能。
幾何模型：
仿真結果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
基于comsol的能量收集器仿真研究 ￥50
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現象，可將圓柱繞流產生的卡門渦街現象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產生的能量是如何轉換為結構的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網格功能。
幾何模型：
仿真結果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
北工大：柔性壓電能量收集器獲重要進展！
近日，北京工業大學材料學院、新型功能材料教育部重點實驗室侯育冬教授團隊，成功開發出一種具有優異發電特性和長時間服役穩定性的懸臂梁式柔性壓電能量收集器。相關研究成果發表于能源領域著名學術刊物Nano Energy（IF=13.14）上。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518305676
隨著各類小型電子設備以及物聯網的快速發展，迫切需要開發高性能、輕量化，可持續性強的能量供應器件。在目前各種形式的能量收集器中，柔性壓電能量收集器依托優異的力學性能，良好的環境適應性以及突出的能量收集性能有望集成于個人電子設備以及無線傳感器中，持續進行能量供應。如何基于填料設計與結構優化在提升柔性壓電能量收集器發電功率的同時，保持長時間的工作穩定性是本方向的研究難點。
最近，侯育冬教授團隊率先開發出一種具有優異服役特性的極性納米棒填料織構化柔性壓電復合材料。在能量收集材料設計理論指導下，以熔鹽化學合成的具有單軸強極性的BaTi2O5納米棒為填料，聚偏氟乙烯PVDF為基體，通過熱壓取向工藝將BaTi2O5納米棒定向排列于聚合物基體中，構建出具有高換能系數的織構化柔性BaTi2O5/PVDF壓電復合材料。
研究發現，以該材料制作的懸臂梁式柔性壓電能量收集器，在嚴苛的振動條件下（10g加速度）表現出高能量密度27.4 μW/cm3。更為重要的是，即使經過長時間的振動周期循環（~330,000），柔性壓電能量收集器仍能保持其發電特性而不劣化。
展開 基于高能量密度非對稱電容器的可編織自充電織物
采用整流橋對TENG輸出電壓和電流進行整流后對非對稱超級電容器進行充電。b) 普通織物中編入形狀為英文字母(BINN)的能量收集紗線和ASC紗線。c)自充電系統的等效電路，利用能量采集織物TENG對ASC進行充電，然后為電子產品供電。d)不同運動頻率的TENG面料對兩個串聯ASC纖維充電電壓。e) 以4Hz的運動頻率輕拍TENG面料給兩個串聯連接的ASC紗線充電，然后驅動手表工作。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201806298
來源：高分子科學前沿
直播 | SoMat XR 堅固型數據采集器在工程中的應用
課程主題：SoMat XR 堅固型數據采集器在工程中的應用
課程大綱：
SoMat XR 系統介紹
SoMat XR 工程應用
?車輛道路載荷譜數據采集
?工程機械分布式數據采集
?數采在道路模擬試驗中的應用
直播時間：3月10日【周三】20:00-21:00
講師介紹
郜鵬
高級技術工程師/10年工作經驗
上海山外山機電工程科技有限公司
兩款電池系統中電壓電流采集器拆解
我之前寫過比亞迪和奧迪的兩個電池管理系統，今天的文章是想把它們兩家的電壓和電流采集傳感器拿出來，做一個產品設計的分析和對比。有關芯片層面解讀是第一步，感興趣的朋友可以繼續深挖。
一、奧迪的電流電壓采集器的設計
奧迪的電流和電壓的采集器是整合到一起的，由Draexlmaier提供。
圖1 奧迪的電流電壓傳感器，甚至做了一個系列出來
我把整個框圖整理了下：
這是一個符合高功能安全的設計
兩路冗余的電流采樣是通過MM9Z1J638和AS8510實現的
五路高壓采樣是通過AS8510和MCP3919實現的
12V電源，一路直接進行MM9Z1J638，一路通過LDO L2951對AS8510和MCP3919進行供電
圖2 高壓和電流采樣的框圖
這相當于使用了兩個專用的電池監測傳感器芯片來實現對電流Shunt進行測量。對于奧迪和大眾BMS各個功能安全的定義，可能是按照ASIL C來做的。
圖3 電流傳感器的芯片
二、 比亞迪的電流電壓采集器設計
這個在我之前的文章里漏講了，正好現在補充一下。在這里有三個連接器：
綠色連接器：一共有6個引腳，是連接到BMU的部分
黑色連接器1：用來進行高壓采集和高壓絕緣情況測量
黑色連接器2：用來進行高壓采集
這個板子的背面，主要是包含分壓的網絡。比亞迪設計這個模塊，最主要的目的把和高壓直接相關的部分隔離出來，用一個傳感器進行處理。
展開 賦能商用車 ADAS 研發：多傳感器數據采集方案
在軟件層面，我們的多傳感器數據采集上位機軟件，實現了數據采集、管理、后處理的全生命周期管控，全方位保障數據質量。該軟件可精細化管控各類傳感器，支持用戶自定義采集方案，搭配低延遲實時可視化界面與快速告警響應機制，內置的質量評估模塊可高效識別異常數據；同時針對商用車長途連續采集場景進行了資源優化設計，可實現不間斷連續采集。
此外，軟件兼容ROS1/2 BAG等行業主流存儲格式，會對采集數據進行結構化命名與存儲，并自動生成元數據文件，詳細記錄采集關鍵信息，便于后續數據追溯與使用。
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三、結語
綜上，從商用車車體特性與場景需求的深度拆解，到傳感器配置、硬件架構、標定流程、采集軟件的全流程落地，康謀商用車ADAS多傳感器數據采集解決方案始終以商用車專屬需求為核心，以高精度、高穩定、高適配為核心目標，可匹配當前BEV與端到端模型的研發需求，為商用車ADAS技術升級提供堅實的數據支撐。
展開 康謀應用 | 基于多傳感器融合的海洋數據采集系統
該布局可以更有效的應對海面復雜環境下的數據采集。
三、數據采集
在面向無人艇數據采集時，需要使傳感器套件（四類傳感器）能夠同時采集數據，并具備時間同步，實時可視化、存儲和回放等能力。整體軟件架構采用ROS+傳感器集成方式，支持即插即用，使用便捷。
比如在iDS相機采集鏈路上，涉及到多相機同步采集的實現難度大、圖像數據的實時傳輸和存儲需求高和動態參數調整的靈活性不足等問題。通過定制化開發，采用ROS+PEAK SDK方案進行深度集成，實現了多相機同步采集、實時可視化、動態參數調整等功能，靈活適應海面復雜的采集環境，提高了系統的通用性。
四、總結
在海洋監測和無人艇控制領域，數據采集的準確性和可靠性至關重要。基于多傳感器融合的海洋數據采集系統方案，利用高性能的BRICKplus+ETH6000模塊作為中央處理單元，連接多個傳感器，能夠實現高速數據傳輸和同步。
該系統采用ROS框架與傳感器SDK進行定制開發，實現了多線程數據采集、處理和發布。同時支持配置文件動態加載傳感器參數，支持實時調整和優化，進而顯著提高了數據采集的同步性、實時性和可靠性，為無人艇的自主航行和控制算法訓練提供了高質量的數據支持。
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