西安交通大学叶凯、刘柱 等：一种基于磁通控制的电磁感应式磁场能量收集器功率提升方法

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随着电力物联网的建设和发展，如何稳定可靠地为传感器网络供电备受人们关注，磁场能量收集技术因受环境影响小、能量收集功率高成为解决这一问题最有希望的技术。西安交通大学荣命哲课题组通过解析磁场能量收集器的原理，提出了一种基于磁通控制的电磁感应式磁场能量收集器功率提升方法。实验结果表明，所提出的方法可以在频率为50Hz、有效值为4A的一次电流下显著提升收集功率，在本文研究的不同恒压负载下提升幅度达36.8%~153.2%。

研究（项目）背景

随着电力物联网的建设和发展，海量传感器分布在电力系统中，传统线缆和电池供电严重限制了传感器的布置和维护，如何为传感器网络供电成为当前亟待解决的问题。近年来，基于能量收集的传感器供电技术备受人们关注，其中磁场能量收集技术则以其优越的能量收集性能、较小的体积和低廉的成本最有希望成为传感网络的就地供电技术。

论文所解决的问题及意义

当前磁场能量收集技术虽然具有受环境影响小、能量密度高等优点，但是磁场强度的增大会导致磁芯的磁感应强度达到最大值，磁芯深度饱和会造成功率损失并威胁收集器的安全，本文提出一种基于磁通控制的电磁感应式磁场能量收集器功率提升方法，在较高磁场强度下缓解磁芯饱和并大幅了提高能量收集功率。

论文方法及创新点

所提方法电路拓扑如图1所示，图中电容组件由一组交替导通的开关S1、S2和两个电容值相等电容器组成，通过控制开关通断可以实现电容串并联的转换。通过在负载和磁芯线圈之间增加可改变串并联状态的电容组件来控制磁芯电压的波形，从而控制磁芯中磁通的变化，缓解磁芯饱和，最终提高能量收集功率。

图1  磁通控制方法电路拓扑图

磁通控制方法的基本过程如图2（a）所示；传输周期中瞬时收集功率和电容组件电压波形如图2（b）所示；对应的磁通和磁芯电压波形如图2（c）所示，其中Φsat为磁芯磁感应强度达到Bsat时对应的磁通量。整个能量传输过程可分为四个阶段：

1）第一阶段，S1导通、S2关断，电容组件处于并联状态，此时电容组件电压和负载电压反向，磁芯电压等于两者之差。

2）第二阶段，S1关断、S2导通，将第二阶段起始时间定义为串联起始时间，标记为t1。此时电容组件变为串联状态，其电压倍增，电容组件上的电压大于负载电压，磁芯电压反向，磁通变化率变号，消耗第一阶段积累的磁通。此外，如果在第一阶段积累的磁通不足以支撑第二阶段磁通的消耗，磁芯饱和，其电压降为零。此时若电容组件电压仍大于负载电压，则其在第二阶段放电。

3）第三阶段，S1导通、S2关断，电容组件恢复并联状态。将第三阶段起始时间标记为t2，考虑到电容组件中各电容值总有差异，为减小电容并联时的冲击电流，使此时电容组件电压接近零。在第三阶段电容组件电容值是第二阶段的四倍，磁芯电压上升相对缓慢，有利于延长传输时间。

4）第四阶段，S1、S2维持上一阶段状态不变，磁芯饱和为进入此阶段的标志，此时，若电容组件电压超过负载电压，电容组件放电。若电容组件电压未超过负载电压，则第四阶段不会传输功率。

图2  磁通控制过程及其主要参数波形图

结论

针对磁场能量收集中磁芯饱和问题，本文提出了一种基于磁通控制的磁能收集新方法，通过理论分析、仿真和实验验证，得出以下结论。

1）所提方法通过在电路中增加电容组件，通过控制其串并联状态来缓解磁芯饱和，提高了磁场能量收集功率。

2）存在最佳串联起始时间和最佳电容组件电容值使收集功率最大，收集功率分别随串联起始时间和电容组件电容值的增大先增大后减小。

3）所提方法在负载电压5-15V时，能有效缓解磁芯饱和、提高能量收集功率，提升效果随着负载电压的增大而增大。负载电压2-5V时则通过促进磁芯饱和提高能量收集功率。

4）在频率为50Hz、有效值为4A的一次侧电流下，所提方法提升了收集功率，在本文研究的不同恒压负载下提升幅度达36.8%~153.2%。

团队介绍

西安交通大学荣命哲课题组长期从事新能源电力装备开发和电力装备智能运维研究。针对电力传感网络可靠供电，主要研究电力系统伴生的磁场能、电场能、机械能和热能的高效收集利用关键技术，实现就地自驱动传感，在该研究领域近年来承担国家级项目2项，以及多项省部级和企业合作项目。

本文编自2023年第1期《电工技术学报》，论文标题为“一种基于磁通控制的电磁感应式磁场能量收集器功率提升方法”。本课题得到国家电网有限公司科技项目“面向能源互联网自供电传感关键技术研究”的支持。

引用本文

叶凯, 刘柱, 赵鹏博, 杨爱军, 袁欢, 王小华, 荣命哲. 一种基于磁通控制的电磁感应式磁场能量收集器功率提升方法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(1): 37-46. Ye Kai, Liu Zhu, Zhao Pengbo, Yang Aijun, Yuan Huan, Wang Xiaohua, Rong Mingzhe. A Power Boosting Method of Electromagnetic Induction Magnetic Field Energy Harvester Based on Magnetic Flux Control. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(1): 37-46.

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