面向宽整流电压范围多通道压电能量收集的共享MPPT双电感MCS-SSHI接口

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Dual-Inductor MCS-SSHI Interface with Shared MPPT for Multi-Channel Piezoelectric Energy Harvesting Over a Wide Rectified Voltage Range

　　

• 六通道架构集成了MCS-SSHI、共享MPPT以及能量调度；
• 基于共享FCPV的MPPT在有效2.7–16 V范围内进行了表征；
• 完整的自供电周期演示了感知、北斗传输以及关断。

引言

随着物联网（IoT）的快速发展，无线传感器网络正朝着大规模部署的方向发展[1]。电源单元是无线传感器节点的关键组成部分，其可靠性直接影响整个系统的长期稳定运行。然而，传统的电池供电方案仍面临若干问题，包括频繁更换与维护、寿命有限，以及在低温、高温和强冲击等恶劣条件下适应性、可靠性和安全性差[2]。为了降低对电池的依赖，各种环境能量收集技术已被探索用于自供电传感系统，包括振动、太阳能、热能、摩擦电和流致电流能量收集方法[3]。其中，压电振动能量收集器（PVEH）能够直接将环境振动能量转换为电能。PVEH具有结构简单、体积小、能量密度高以及对恶劣环境适应性强等优点[4]，[5]。因此，PVEH具有作为无线传感器节点电源替代传统电池的巨大潜力。然而，单个PVEH通常无法提供足够的功率以支撑无线传感器节点稳定运行[6]。因此，通常需要考虑阵列式PVEH结构以提高整体输出能力。PVEH的输出为交流信号。然而，下游的感知、控制和通信模块需要稳定的直流供电。因此，需要一个接口电路将PVEH阵列的交流输出高效转换为可用的直流电。

现有针对阵列式PVEH的接口电路通常可分为两类。第一类中，多个PVEH以串联或并联方式连接，系统将其视为一个等效单元以提升整体性能[7]。第二类中，接口电路分别处理每个PVEH通道，然后将整流输出合并[8]。在实际应用中，由于振动变化、制造误差和安装条件的不同，阵列中的PVEH之间通常存在相位差。如果系统通过这些PVEH直接进行简单的串联或并联连接，则具有不同相位的压电单元之间可能发生电荷抵消。这种效应会降低能量转换效率。因此，分别处理每个通道的接口电路更适合存在相位差的情况。

现有针对阵列式PVEH高效整流与能量提取的研究主要集中在同步能量收集拓扑上，如并联同步开关电感能量收集（P-SSHI）、串联同步开关电感能量收集（S-SSHI）以及同步电荷提取（SECE）[9]，[10]，[11]。Boisseau等人[12]使用标准反激耦合电感处理以不同频率工作的多个PVEH。Shareef等人[13]提出了一种隔离型主动整流器。Wang等人[14]提出了一种基于降压的多输入SECE（MI-SECE）接口电路。这些方法大多基于SECE结构并采用电感共享策略。Wang等人使用倍压整流器（VDR）结构，该结构减少了二极管数量并降低了导通损耗。Wu等人[15]也提出了一种结合S-SSHI与VDR的接口电路。然而，这些共享单电感结构仍存在一个重要问题。在正负半周期的电压反向过程中，电感电流方向相反。当阵列中存在反相PVEH时，很容易发生电荷抵消，系统会遭受额外的能量损耗。为解决该问题，Chen等人[16]在阵列式PVEH接口的每个通道中引入了四个无源峰值开关。这些开关取代了传统S-SSHI拓扑中使用的二极管。该设计缓解了单电感接入冲突并降低了通道间的干扰。Long等人[17]与Xia等人[18]进一步提出了基于P-SSHI的分裂电感-电容拓扑。其拓扑使用两个电感分别处理正负半周期的能量反向。该方法能有效解决相似、相同和相反振动相位条件下的电感接入冲突问题。这些研究表明，分离正负半周期的能量路径是减少多通道PVEH接口中电感接入冲突和相位相关干扰的有效方式。类似的半波分离能量收集接口在其他能量收集系统中也有报道[19]。

尽管基于SECE的拓扑具有输出功率不依赖负载阻抗的优势，但其输出功率通常低于基于SSHI的接口。相比之下，基于SSHI的电路可实现更高的输出功率，但其性能会随负载变化而显著改变。因此，针对阵列式PVEH的实际接口电路应同时解决多通道之间相位相关的电荷抵消以及基于SSHI整流器的负载相关运行特性。这促使在同一电源管理电路中组合多通道整流与MPPT调节。目前PVEH的MPPT方法主要包括分数开路电压（FOCV）法以及扰动观测法（P&O，也称爬山法）[20]。FOCV法需要周期性地测量PVEH的开路电压。因此，接口电路必须在测量时暂时断开PVEH。这一操作使能量收集过程不连续。P&O法通常依赖相对复杂的数字控制器。如果设计人员采用分立器件实现该方法，则会引入额外损耗。因此，该方法更适合集成电路。为解决该问题，Fang等人[21]提出了一种基于S-SSHI的分数正常工作电压（FNOV）方法。该方法能够在不断开PVEH与接口电路的情况下实现连续采样。Long等人[8]进一步设计了一种基于改进MPPT电路的可扩展SSHI阵列接口。然而，该方案需要为每个PVEH通道配备一个MPPT模块。该设计可使每个通道保持在其最佳工作状态附近，但随着阵列通道数量增加，系统体积和复杂度也会大幅增加。为解决该问题，Chen等人[22]提出了分数累积峰值电压（FCPV）方法。该方法对各PVEH的峰值电压进行采样并累积，并利用该信息调节整流电压。由于该方法在整流阶段将所有通道输出合并，MPPT模块中的电压比较电路无需为每个通道重复配置。该特性有效减少了有源器件数量。文献[22]为本工作所采用的基于FCPV的MPPT策略提供了理论基础。在本工作中，该共享MPPT概念被实现于一个六通道MC-PVEH电源管理电路中。考虑到后续MPPT调节与能量调度阶段的需求，多通道整流接口采用S-SSHI拓扑作为基本结构。虽然基于P-SSHI的VDR接口可提供更高的纯整流效率，但之前的研究表明，P-SSHI与S-SSHI具有不同的最优整流电压工作点，P-SSHI通常需要更高的电压水平才能实现最大功率提取[23]。因此，对于集成了低压电源管理电路的多通道压电能量收集系统，整流策略应同时考虑能量转换性能与电压兼容性。基于此前的双电感能量路径分离研究与基于FCPV的共享MPPT概念，本工作开发了一种集成多通道整流、共享整流电压调节与间歇能量调度的六通道电源管理架构。

在本工作中，实现了一个六通道MC-PVEH电源管理接口，并针对自供电低占空比监测应用进行了实验验证。所实现系统集成了双电感MCS-SSHI整流接口、基于FCPV的通道共享MPPT模块以及间歇能量调度机制。实验结果表明，该接口可聚合六个PVEH通道的能量，调节公共整流电压，并为下游低占空比负载提供稳定的功率供给。完整系统进一步通过一个实际的温度采集与北斗短报文传输负载进行了演示，验证了该集成电源管理接口用于自供电监测应用的可行性。

节选片段

MC-PVEH结构的设计

目前，PVEH主要采用悬臂梁、压电薄膜以及多层堆叠结构[24]。其中，悬臂梁结构因结构简单、易于制造与集成、运行稳定性好而被广泛应用。因此，本文设计的MC-PVEH同样采用悬臂梁结构。在外部振动激励下，悬臂梁发生弯曲，压电材料随之变形。由于

电源管理电路（PMC）的工作原理

PMC由三部分组成：交流-直流接口电路、MPPT模块以及直流-直流变换器与负载电路，如图2所示。

MC-PVEH的电气性能

为评估MC-PVEH的输出特性，使用电动振动台进行了实验。如图5所示的测试平台主要包括振动控制软件、VE-5150振动台、VT-9002振动控制器、功率放大器、示波器和风机。为后续电源管理测试提供统一的输入条件，将六个压电元件的共振频率调整至500到800 Hz的范围。该频率范围

结论

本文提出了一种六通道MC-PVEH电源管理接口，集成了MCS-SSHI整流接口、基于FCPV的共享MPPT模块以及间歇能量调度电路。所实现的MCS-SSHI电路支持具有相位差的PVEH输入，并能够实现多通道压电能量的高效整流与聚合。在六个PVEH以平均峰值开路电压25.42 V工作的情况下，所实现接口达到最大输出

CRediT作者贡献声明

Yi Yang：撰写——原稿、验证、软件、资源、方法论、调查、形式化分析、数据整理、概念构思。
Endian Cui：方法论、调查、数据整理、概念构思。
Pengfan Wu：撰写——审阅与编辑、软件、调查、概念构思。
Chenxi Zhao：方法论、调查、数据整理、概念构思。
Fayang Wang：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、概念构思。
Wenchang Hao：撰写——审阅

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到中国国家自然科学基金重点项目（批准号：U22B2089）、中央高校基本科研业务费专项资金（批准号：2024CDIGF-005）以及新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室开放项目支持。

Yi Yang于2024年获得中北大学测控技术与仪器专业学士学位。现为重庆大学电子信息专业硕士研究生，研究方向包括能量收集器与自供电传感系统。

Yi Yang|Endian Cui|Pengfan Wu|Chenxi Zhao|Fayang Wang|Wenchang Hao|Qingsong Chen|Xiaojing Mu