Energy harvesting system using ultra-low voltage electronics for low power wide area distributed energy resources

使用超低压电子设备的能量收集系统，用于低功率广域分布式能源

• 批准号: 22H01465
• 负责人: 北川 章夫
• 金额: $ 7.65万
• 依托单位: Kanazawa University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01465/
• 关键词: エナジーハーベスティング; 環境発電; 超低電圧; 電源回路; IoT; AC-DCコンバータ; DC-DCコンバータ; 振動発電; 自然電気化学電池; 理想整流回路; バッテリーレス

本研究課題では、微小環境エネルギーを利用するため、0.1V以下の交流電圧または直流電圧から動作し、昇圧および安定化するための電源回路の方式を提案し、環境発電デバイスを用いた実験により動作を実証する。また、提案した回路のエネルギー変換効率を最大化する条件を、理論、シミュレーション、実験を通して明らかにする。また、提案した回路を用いて、フィールドに分散した環境発電デバイスのネットワークから損失無く電気エネルギーを集める方法を提案し、環境発電デバイスの数とエネルギー変換効率の関係を、理論、シミュレーション、実験を通して明らかにし、環境発電技術のIoT応用に貢献する。2022年度の研究では、1マイクロアンペア以下のリーク電流と10mVの立ち上がり電圧を達成するように、理想整流回路の回路パラメータを最適化した。設計した回路は、65nm SOTB(Silicon-on-Thin-BOX)プロセスを利用して試作を行い、正常動作を確認した。この理想整流回路を用いて、コッククロフト-ウォルトン型の昇圧整流回路を構成し、市販のDC-DCコンバータが動作する電圧まで昇圧することを可能にした。また、理想整流回路を用いた同期式磁束コンバータの試作も行った。これらの回路の性能評価を行った結果、コッククロフト-ウォルトン型の昇圧整流回路のAC-DC変換効率が非常に高いことが分かったため、今後の研究では、高効率機械振動-電気振動変換デバイスである、磁歪式発電デバイスと今回開発したコッククロフト-ウォルトン型の昇圧整流回路を組み合わせてエナジーハーベスティングの実験をおこなうことにした。さらに、低電圧直流電源を利用するための超低電圧発振器を内蔵した理想整流回路をスイッチとしたDC-DCコンバータを試作した。このDC-DCコンバータについても動作が確認されたが、エネルギー変換効率が十分ではないため、さらなる回路の改良を試みる。

在本研究主题中，我们提出了一个电源电路系统，该电路系统从低于0.1V的交流电或直流电压运行，以利用微环境能量，并通过使用环境发电设备的实验来展示其操作。此外，将通过理论，模拟和实验来阐明提出的电路能量转换效率的最大化条件。使用拟议的电路，我们提出了一种从不损失的环境发电设备网络中收集电能的方法，我们将通过理论，仿真和实验阐明环境发电设备的数量与能源转换效率之间的关系，从而有助于环境发电技术的IoT应用。 2022年的研究优化了理想整流器电路的电路参数，以达到小于1微接管的泄漏电流和10mV的上升电压。设计的电路是使用65nm SOTB（固定盒硅）过程进行原型的，并被确认为工作顺序良好。使用此理想的整流器电路，构建了Cockcroft-Walton型增压整流器电路，从而使商业上可用的DC-DC转换器可以将其升级到其操作的电压上。我们还使用理想的整流器电路进行了原型同步磁通转换器。 As a result of evaluation of these circuits, it was found that the AC-DC conversion efficiency of the Cockcroft-Walton-type booster rectifier circuit is extremely high, so in future research, we decided to conduct an experiment in energy harvesting by combining the magnetostrictive power generation device, a high-efficiency mechanical vibration-electric vibration conversion device, and the Cockcroft-Walton-type booster rectifier circuit我们已经发展了。此外，我们使用理想的整流器电路创建了一个原型DC-DC转换器，该电路具有超低电压振荡器，用于使用低压直流电源。该DC-DC转换器的运行也已得到证实，但是由于能量转换效率不足，因此尝试了进一步的改进。