環(huán)境振動能收集為微型傳感器供電:匹配用功率電感與電容優(yōu)化
在工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與管道機器人集群中,傳統(tǒng)電池供電面臨更換困難與環(huán)境污染的痛點。平尚科技開發(fā)的磁電耦合振動能量收集模組,通過功率電感與電容的精密阻抗匹配,將機械振動轉(zhuǎn)化為300μW持續(xù)電能,使微型傳感器實現(xiàn)永久自供電。當(dāng)設(shè)備以50Hz頻率振動時(加速度0.5g),該系統(tǒng)可輸出3.3V/100μA穩(wěn)定電流,完全替代鈕扣電池。
針對微能源系統(tǒng)對能量轉(zhuǎn)換與存儲效率的極致要求,平尚科技PS-VE系列模組突破三大技術(shù)瓶頸:
高磁導(dǎo)率功率電感:
采用Fe-SiCr納米晶磁粉芯與三層絕緣繞線工藝,使0603尺寸電感值達22mH(常規(guī)鐵氧體僅10mH),在20-500Hz寬頻振動下保持>85%的能量轉(zhuǎn)換效率;
飽和電流提升至150mA,承受10g振動沖擊后電感量衰減<±2%;
低ESR疊層電容:
鈦酸鋇-聚合物復(fù)合介質(zhì)實現(xiàn)100μF/cm3儲能密度,等效串聯(lián)電阻(ESR)低至5mΩ,充放電效率達98%;
創(chuàng)新叉指電極結(jié)構(gòu)使漏電流<0.5μA,保障能量存儲72小時損耗<3%;
自適應(yīng)阻抗匹配:
基于振動頻率動態(tài)調(diào)整LC諧振點,通過MEMS開關(guān)陣列實時切換電感抽頭,使能量捕獲帶寬拓寬3倍。
為驗證系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的可靠性,平尚科技構(gòu)建多軸振動模擬平臺:
變頻振動測試:在10-1000Hz范圍內(nèi)掃描(加速度1-10g),記錄輸出功率波動;
隨機沖擊驗證:施加半正弦沖擊(峰值50g/脈寬2ms),檢測電感磁芯位移與電容電極斷裂;
極端溫濕循環(huán):-40℃~85℃交替沖擊1000次,監(jiān)測LC參數(shù)漂移。
實測數(shù)據(jù)表明:
在工業(yè)機器人關(guān)節(jié)振動場景(35Hz/1.2g),系統(tǒng)輸出功率密度達350μW/cm3;
經(jīng)受50g機械沖擊后,納米晶電感感值變化率<±1.5%,電容ESR增長<8%;
為溫度傳感器供電時,其0.5秒采集間隔的續(xù)航能力超越同等體積電池5倍。
面向管道機器人的微空間集成需求,平尚科技革新制造工藝:
磁粉芯注射成型:將納米晶磁粉與環(huán)氧樹脂在150℃下高壓注入微型模具,電感公差控制在±5%;
卷對卷電容涂布:以每分鐘5米速度連續(xù)沉積介質(zhì)層,單片薄膜產(chǎn)出3000個儲能電容;
激光微調(diào)諧振:飛秒激光精確修整電感線圈,使諧振頻率匹配精度達±0.1%。
當(dāng)輸油管道檢測機器人在震動環(huán)境中爬行時,其背部能量收集模組將7Hz流體振動轉(zhuǎn)化為電能,平尚科技優(yōu)化的功率電感與電容以92%的綜合效率驅(qū)動腐蝕傳感器持續(xù)工作。通過磁芯材料創(chuàng)新、介電結(jié)構(gòu)突破、動態(tài)匹配升級三位一體的技術(shù)路徑,平尚科技使每套自供電系統(tǒng)成本降至0.15元,為萬億級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點掃除能源桎梏。