电池的广泛使用制约着传感设备快速发展,尤其是在使用频繁且不易更换电池的环境中,例如火电厂的热交换厂房的环境温度监测传感器、高压电网变电站中变压器振动传感设备、写字楼中的环境传感节点、体内植入式医疗装置等。在这些应用中,电池是主要的能量供给方式。然而,无论选用多大容量的电池,由于电池寿命的限制以及自身电能的逐渐耗尽,最终这些设备均会因供电不足而失效

。如果能通过收集环境中的各种能量,并通过换能器将其转换为电能,为电子设备进行自供电,从而避免电池的使用,并大幅提升设备的使用寿命,则有望解决这类应用场景中因使用电池而带来的供电问题

,并且对传统植入式医疗装置中无线通信电路功耗高、面积大、通信距离短的问题也有极大改善作用

。此外,在各种各样的环境能量中,压电振动能量较为常见,能量密度较高且对应的能量收集装置体积较小。因此,针对压电振动能量收集系统的研究成为了国内外学者关注的热点。

国外学者针对该领域的研究起步较早,首个压电振动能量收集的接口电路于2002年由Ottman等

提出,该接口电路采用了基本的无源全桥整流结构,被称为压电振动的标准能量收集(standard energy harvesting,SEH)结构;该接口电路通过对压电换能器的交变电流进行整流、并用超级电容来储存能量,实现了从振动到电能完整转换和收集过程,无需外部电源,足以满足许多电子系统的电力需求。……