一種基于磁通控制的電磁感應(yīng)式磁場(chǎng)能量收集器功率提升方法

葉 凱 劉 柱 趙鵬博 楊愛(ài)軍 袁 歡 王小華 榮命哲

一種基于磁通控制的電磁感應(yīng)式磁場(chǎng)能量收集器功率提升方法

葉 凱 劉 柱 趙鵬博 楊愛(ài)軍 袁 歡 王小華 榮命哲

（電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)） 西安 710049）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為電網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”，在智能電網(wǎng)建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。如何穩(wěn)定可靠地為傳感器網(wǎng)絡(luò)供能引發(fā)了人們的關(guān)注，能量收集技術(shù)成為解決這一問(wèn)題最有效的技術(shù)，其中磁場(chǎng)能量收集技術(shù)因其受環(huán)境影響小、能量收集功率高脫穎而出。然而，電力線周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大會(huì)導(dǎo)致磁心的磁通密度達(dá)到最大值，磁心深度飽和會(huì)造成功率損失并威脅收集器的安全。針對(duì)這一問(wèn)題，該文提出一種基于磁通控制的電磁感應(yīng)式磁場(chǎng)能量收集器功率提升方法，在電路中增加了可控電容組件，通過(guò)控制電容組件的串并聯(lián)來(lái)控制磁心電壓，進(jìn)而控制磁心磁通量，從而緩解了磁心飽和并顯著提高了能量收集功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可以在頻率為50Hz、有效值為4A的一次電流下顯著提升收集功率，在該文研究的不同恒壓負(fù)載下提升幅度達(dá)36.8%～153.2%。

磁場(chǎng)能量收集 磁心飽和 磁通控制 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

電力系統(tǒng)承擔(dān)著將電力傳送到千家萬(wàn)戶的使命，一旦發(fā)生故障將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]，因此對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)十分重要。如何為傳感器網(wǎng)絡(luò)供電成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題，傳統(tǒng)走線供電方式不靈活且難以在高壓環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，而電池供電方式則會(huì)帶來(lái)大量污染和巨額更換成本。因此，能量收集技術(shù)成為解決這一問(wèn)題最有希望的技術(shù)。近年來(lái)，研究人員對(duì)能量收集技術(shù)進(jìn)行了廣泛而全面的研究，如太陽(yáng)能[3-5]、風(fēng)能[6-8]、振動(dòng)能[9-10]、海浪能[11]和溫差能[12-13]等。然而，太陽(yáng)能會(huì)受到光照強(qiáng)度、建筑物及陰雨天氣的影響，微型風(fēng)能的收集極易受到風(fēng)速和風(fēng)向的影響，振動(dòng)能則因能量收集功率較低難以應(yīng)用，海浪能技術(shù)難以適應(yīng)波浪不斷變化的方向和幅度，溫差能技術(shù)極低的效率和極高的環(huán)境要求導(dǎo)致其難以廣泛應(yīng)用[14]。電磁場(chǎng)能量在電力系統(tǒng)中廣泛且穩(wěn)定存在，因此相關(guān)的能量收集技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外研究人員的研究重點(diǎn)。電場(chǎng)能量收集技術(shù)所需的電容尺寸非常大，極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)景[15-16]。基于電磁感應(yīng)原理的磁場(chǎng)能量收集技術(shù)則以其優(yōu)越的能量收集性能、較小的體積和低廉的成本成為最有希望為無(wú)線傳感器供能的技術(shù)。

然而，在磁場(chǎng)能量收集裝置中，整流電路后端通常并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能電容來(lái)儲(chǔ)存收集到的能量，輸電線路電流較高時(shí)，線圈輸出功率較大，儲(chǔ)能電容電壓上升導(dǎo)致磁心飽和，這給磁場(chǎng)能量收集器的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。磁心深度飽和不僅會(huì)產(chǎn)生電壓尖頂波和嚴(yán)重發(fā)熱，影響整個(gè)系統(tǒng)的安全[17]，還會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)能量收集功率損失[18]。針對(duì)這一問(wèn)題，科研人員進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)[19]通過(guò)添加控制線圈引入控制電流的方式緩解磁心飽和并提高了能量收集功率，但是系統(tǒng)龐大復(fù)雜，且在控制電路中消耗了大量能量。文獻(xiàn)[20]通過(guò)磁心開氣隙的方式避免了磁心進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，有效防止磁心發(fā)熱和產(chǎn)生尖頂波，但是氣隙會(huì)導(dǎo)致磁路磁阻急劇增大，能量收集功率顯著降低。一些研究人員則通過(guò)選用低磁導(dǎo)率磁心避免磁心飽和，再通過(guò)阻抗匹配[21]或者諧振補(bǔ)償[22]等方式提高能量收集功率，但受限于磁導(dǎo)率，其取能效率較低。文獻(xiàn)[23]中使用反饋電路產(chǎn)生控制信號(hào)，通過(guò)雙向晶閘管控制能量收集電路的接入和切出，避免其在磁心深度飽和時(shí)接入電路，起到保護(hù)后端電路、避免磁心發(fā)熱的作用。相位控制[24]和斬波控制方法[25]則相對(duì)反饋控制方法更加精細(xì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)較好。趙強(qiáng)松等[26]通過(guò)五級(jí)電荷泵電路降低了相同負(fù)載下的磁心電壓，避免了磁心飽和，但其僅適用于具有占空比特征的傳感器。文獻(xiàn)[27]中介紹了一種非侵入式的磁場(chǎng)能量收集系統(tǒng)，所提出的智能粘貼式傳感器可以使磁心工作在非飽和區(qū)，具有成本低和易于安裝的優(yōu)點(diǎn)，但非侵入式系統(tǒng)的弱耦合性導(dǎo)致磁場(chǎng)能量收集能力顯著下降。此外，有研究者采用雙磁心系統(tǒng)[28-29]來(lái)避免磁心的深度飽和，但是系統(tǒng)體積顯著增加。

已有的方法要么雖然緩解了磁心飽和，但并沒(méi)有提高反而顯著降低了能量收集功率；要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且產(chǎn)生了大量能量損耗；要么只適用于占空比負(fù)載。通過(guò)對(duì)磁心飽和原理的探究，本文提出了一種新的磁場(chǎng)能量收集方法，在較高磁場(chǎng)強(qiáng)度下緩解磁心飽和并大幅提高能量收集功率。通過(guò)引入電容組件并控制其串并聯(lián)方式來(lái)改變磁心電壓波形，從而控制磁心中磁通的變化，緩解磁心飽和，顯著提高能量收集功率。所提方法在負(fù)載電壓較小時(shí)，通過(guò)電容組件提升磁心電壓促進(jìn)磁心飽和，同樣能起到提高能量收集功率的作用。此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有良好的應(yīng)用前景。此外，整流橋后通常接DC-DC變換器或超級(jí)電容器為傳感器以穩(wěn)定電壓供能。因此，本文將采用恒壓負(fù)載進(jìn)行分析。

1 磁場(chǎng)能量收集等效電路及功率分析

傳統(tǒng)磁場(chǎng)能量收集器等效電路如圖1所示，圖中1sin()為一次側(cè)正弦交流電流源，為線圈匝數(shù)，wire、leak和m分別為線圈電阻、漏感和勵(lì)磁電感，m和load分別為勵(lì)磁電流和負(fù)載電流，U為全橋二極管整流器，load為恒壓負(fù)載。

圖1 傳統(tǒng)磁場(chǎng)能量收集器等效電路

由于磁導(dǎo)率通常很大，為簡(jiǎn)化分析，線圈電阻、線圈漏電感、磁心損耗等效電阻和非飽和狀態(tài)磁心的勵(lì)磁電流在計(jì)算中可以忽略。一次電流為頻率為/(2π)的正弦波時(shí)，傳遞到負(fù)載的功率會(huì)以該頻率的兩倍進(jìn)行脈動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，負(fù)載電壓和磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率成正比。負(fù)載電壓較低，磁心在整個(gè)半周期傳輸能量。負(fù)載電壓較高，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值后，磁心無(wú)法維持輸出電壓而失去輸出能力。根據(jù)文獻(xiàn)[30]可知，傳輸時(shí)間和能量收集功率可分別表示為

式中，為一次電流周期；sat為每個(gè)半周期中磁心的傳輸時(shí)間；為磁心橫截面積；sat為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為能量收集功率；1為一次電流有效值。

在負(fù)載電壓較低，磁心未飽和時(shí)，由于傳輸時(shí)間等于一次電流的半周期，能量收集功率可簡(jiǎn)化為

在負(fù)載電壓較高、磁心深度飽和時(shí)，由于傳輸時(shí)間很短，根據(jù)余弦函數(shù)泰勒公式，功率可估計(jì)為

根據(jù)式（2）～式（4）可知，磁心的飽和作用通過(guò)影響傳輸時(shí)間對(duì)能量收集功率產(chǎn)生了顯著影響，隨著負(fù)載電壓升高，能量收集功率和負(fù)載電壓由正相關(guān)向負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變。

飽和作用對(duì)能量收集功率的影響可以通過(guò)Saber仿真軟件模擬，磁心參數(shù)見(jiàn)表1，仿真結(jié)果如圖2所示。將考慮飽和作用的非線性磁心能量收集功率與不考慮飽和的線性磁心能量收集功率之比定義為飽和作用能量收集效率，簡(jiǎn)稱飽和效率。隨著負(fù)載電壓升高，非線性磁心受到飽和作用的影響，其能量收集功率逐漸落后于線性磁心，當(dāng)負(fù)載電壓達(dá)到15V時(shí)，飽和效率僅為約35%。因此，磁心的飽和作用顯著降低了能量收集功率。

表1 磁心參數(shù)

Tab.1 Core parameters

圖2 飽和作用對(duì)能量收集的影響（I1=8A、f=50Hz）

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁通的變化在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓為

根據(jù)式（5）得

根據(jù)式（6），在磁心材料、磁心形狀和線圈匝數(shù)給定后，傳輸時(shí)間僅由磁心電壓對(duì)時(shí)間的積分確定。

如圖1所示，在傳統(tǒng)磁場(chǎng)能量收集電路中，磁心電壓通過(guò)整流橋與負(fù)載電壓相連，其值和負(fù)載電壓相等，此時(shí)能量傳輸時(shí)間如式（1）所示。而通過(guò)添加電容組件可將負(fù)載電壓和磁心電壓隔開，從而控制磁心電壓的波形，進(jìn)而控制磁心的磁通變化，最終達(dá)到提高能量收集功率的目的。

2 磁通控制方法

2.1 磁通控制方法原理

所提磁通控制方法電路拓?fù)淙鐖D3所示。圖3中電容組件由一組交替導(dǎo)通的開關(guān)S1、S2和兩個(gè)電容值為0的電容器組成，通過(guò)控制開關(guān)通斷可以實(shí)現(xiàn)電容串并聯(lián)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)在負(fù)載和磁心線圈之間增加可改變串并聯(lián)狀態(tài)的電容組件來(lái)控制磁心電壓的波形，從而控制磁心中磁通的變化，緩解磁心飽和，最終提高能量收集功率。

圖3 磁通控制電路拓?fù)?/p>

磁通控制方法的基本過(guò)程如圖4a所示；傳輸周期中瞬時(shí)收集功率和電容組件電壓波形如圖4b所示；對(duì)應(yīng)的磁通和磁心電壓波形如圖4c所示，其中sat為磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到sat時(shí)對(duì)應(yīng)的磁通量。整個(gè)能量傳輸過(guò)程可分為四個(gè)階段：

1）第一階段，S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷，電容組件處于并聯(lián)狀態(tài)，此時(shí)電容組件電壓和負(fù)載電壓反向，磁心電壓等于兩者之差。

2）第二階段，S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通，將第二階段起始時(shí)間定義為串聯(lián)起始時(shí)間，標(biāo)記為1。此時(shí)電容組件變?yōu)榇?lián)狀態(tài)，其電壓倍增，電容組件上的電壓大于負(fù)載電壓，磁心電壓反向，磁通變化率變號(hào)，消耗第一階段積累的磁通。此外，如果在第一階段積累的磁通不足以支撐第二階段磁通的消耗，磁心飽和，其電壓降為零。此時(shí)若電容組件電壓仍大于負(fù)載電壓，則其在第二階段放電。

3）第三階段，S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷，電容組件恢復(fù)并聯(lián)狀態(tài)。將第三階段起始時(shí)間標(biāo)記為2，考慮到電容組件中各電容值總有差異，為減小電容并聯(lián)時(shí)的沖擊電流，使此時(shí)電容組件電壓接近零。在第三階段電容組件電容值是第二階段的四倍，磁心電壓上升相對(duì)緩慢，有利于延長(zhǎng)傳輸時(shí)間。

4）第四階段，S1、S2維持上一階段狀態(tài)不變，磁心飽和為進(jìn)入此階段的標(biāo)志，此時(shí)，若電容組件電壓超過(guò)負(fù)載電壓，電容組件放電。若電容組件電壓未超過(guò)負(fù)載電壓，則第四階段不會(huì)傳輸功率。

值得注意的是，即使傳統(tǒng)電路中負(fù)載電壓無(wú)法使磁心飽和，通過(guò)增加電容組件，在恰當(dāng)?shù)碾娙萁M件電容值下此方法同樣能提高能量收集功率。

2.2 功率分析

計(jì)算能量收集功率的核心是確定各階段的電容組件電壓和磁心電壓，計(jì)算出傳輸時(shí)間，最終得到收集功率，前三階段等效電路如圖5所示。

記電容組件的初始電壓為V0，基于忽略勵(lì)磁電流的假設(shè)，電容組件電流和電源電流相等，根據(jù)等效電路，再結(jié)合電容組件的元件特性，電容組件電壓的表達(dá)式為

式中，為與一次電流、線圈匝數(shù)和電容組件電容值有關(guān)的參數(shù)，即

磁心電壓表達(dá)式為

又根據(jù)式（6），得傳輸時(shí)間滿足

其中，、分別為

在時(shí)刻2，電容組件電壓為零，有

根據(jù)式（7）、式（13），2和1的關(guān)系為

傳輸周期結(jié)束時(shí)的電容組件電壓即下一個(gè)傳輸周期開始時(shí)的組件電壓，在同一個(gè)參考方向下，有

=sat時(shí)，若電容組件電壓小于負(fù)載電壓，第四階段無(wú)功率傳輸，電容組件電壓在第四階段恒定，聯(lián)立式（10）、式（14）、式（15）即得到sat，代入式（2）即可得到能量收集功率為

=sat時(shí)，若電容組件電壓大于負(fù)載電壓，第四階段存在功率傳輸，圖6所示為第四階段等效電路。圖6中，電感代表磁心磁鏈相對(duì)勵(lì)磁電流的瞬時(shí)變化率；電阻代表磁心損耗和線圈電阻；電容值為電容組件電容值。電容電壓初值0為sat時(shí)電容組件電壓。

圖6 第四階段等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律和元件特性，電路的微分方程為

根據(jù)齊次線性方程解法，特征根為

結(jié)合電路初始條件，即電路初始電流為零、電容初始電壓為0，則電流表達(dá)式為

由于整流橋的存在，第四階段在電容電流第一次過(guò)零時(shí)結(jié)束，則第四階段能量收集功率4為

式中，為第四階段功率系數(shù)，僅與電路參數(shù)有關(guān)，其表達(dá)式為

式中，=22-4。

平均電流ave可以由4和load表示為

得到流過(guò)電容組件的電荷量，則第四階段中電容組件電壓的變化量為

則/2時(shí)電容組件電壓

聯(lián)立式（10）、式（14）、式（15）、式（24）即得到sat，又根據(jù)式（2）、式（20），能量收集功率為

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

串聯(lián)起始時(shí)間、電容組件電容值、負(fù)載電壓和一次電流均會(huì)對(duì)所提方法效果產(chǎn)生影響。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)研究這些因素對(duì)磁場(chǎng)能量收集的影響，磁心參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)參數(shù)

Tab.2 Experiment platform parameters

圖7中實(shí)驗(yàn)磁心被電源線穿過(guò)，磁心、電容組件和電子負(fù)載共同構(gòu)成了能量收集電路主回路。本實(shí)驗(yàn)中采取的方案是通過(guò)比較器確定磁心過(guò)零點(diǎn)，經(jīng)由單片機(jī)產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)光耦隔離后控制開關(guān)管的通斷。

圖8顯示了仿真和實(shí)驗(yàn)中串聯(lián)起始時(shí)間1對(duì)磁場(chǎng)能量收集功率的影響。1偏小時(shí)，第二階段磁心反向電壓消耗掉第一階段積累的磁通后，電容組件電壓依然大于負(fù)載電壓，但磁通耗盡后磁心無(wú)法繼續(xù)維持反向電壓，電容組件放電，磁心反向電壓的作用無(wú)法完全發(fā)揮，能量收集功率下降。1偏大時(shí)，第二階段電容組件初始電壓偏小，電容組件變?yōu)榇?lián)后磁心反向電壓也就減小，也會(huì)限制此方法緩解磁心飽和的能力。因此，存在最佳串聯(lián)起始時(shí)間1,opt使能量收集功率達(dá)到最大，此時(shí)第二階段磁心反向電壓的作用被充分發(fā)揮。圖8中實(shí)驗(yàn)結(jié)果略小于仿真值，這是由于仿真時(shí)不可避免地忽略了磁滯、渦流和歐姆等損耗的原因。

圖8 t1對(duì)能量收集功率的影響（Vload=7.2V、C0=5.7μF，傳統(tǒng)電路功率為不使用此方法時(shí)電路的能量收集功率）

電容組件電容值對(duì)1,opt和對(duì)應(yīng)能量收集功率的影響如圖9所示。電容較小時(shí)，電容電壓的變化率較大，第二階段電容組件最佳初始電壓出現(xiàn)較早，1,opt提前，同時(shí)磁心電壓變化率增大，磁心飽和加快，傳輸時(shí)間變短，能量收集功率下降。電容較大時(shí)，電容組件的電壓初始值變減小，恰當(dāng)?shù)牡诙A段電容組件初始電壓出現(xiàn)較早，1,opt減小，同時(shí)第二階段施加在磁心上的反向電壓小，緩解磁心飽和的能力下降，能量收集功率下降。當(dāng)電容值趨于無(wú)窮大時(shí)，能量收集功率趨向等于未使用此方法時(shí)的數(shù)值。因此，存在最佳電容值0,opt使能量收集功率最大。

圖9 電容C0對(duì)t1,opt和對(duì)應(yīng)能量收集功率的影響（Vload=7.2V）

圖10顯示了仿真和實(shí)驗(yàn)中不同負(fù)載電壓下的0,opt。負(fù)載電壓越大，最佳第一階段電容組件起始電壓越大，這需要更大的電容組件電壓變化率，因此0,opt減小。

圖10 Vload對(duì)C0,opt的影響

圖11顯示了不同負(fù)載電壓在0,opt和對(duì)應(yīng)1,opt下的磁場(chǎng)能量收集功率，圖11中為功率提升幅度。在不同的負(fù)載電壓下，本方法提升能量收集功率的效果均較為顯著。本方法在負(fù)載電壓較大時(shí)具有緩解磁心飽和的作用，且負(fù)載電壓越大效果越明顯，在負(fù)載電壓達(dá)到15V時(shí)，功率提升幅度達(dá)到約153%。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果顯示出了較好的一致性，證明了所提方法的有效性。在負(fù)載電壓不足以使磁心飽和時(shí)，磁場(chǎng)能量收集器工作在磁滯回線的線性區(qū)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度小于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，部分磁感應(yīng)強(qiáng)度沒(méi)有被利用。在負(fù)載電壓較小時(shí)，此方法通過(guò)恰當(dāng)電容值的電容組件電壓促進(jìn)磁心飽和并利用磁心飽和后的電容放電提高平均輸出電流，進(jìn)而提高能量收集功率。

圖11 Vload對(duì)PL和r的影響（）

一次電流對(duì)能量收集功率和提升效率的影響如圖12所示。在固定的負(fù)載電壓和電容組件電容值下，隨著一次電流的增大，電容組件電壓的變化率增大，第二階段中磁心電壓反向時(shí)間縮短，緩解磁心飽和的能力下降，最終導(dǎo)致提升效率降低。此時(shí)，電容組件電容值非最佳匹配值，增大電容值可以提高能量收集功率和提升效率。選取最佳電容值后，1=4A，6A，8A，10A時(shí)，提升效率分別可達(dá)49.1%、47.8%、44.7%、39.6%。此外，根據(jù)圖11及其分析可知，負(fù)載電壓越大此方法效果越明顯，當(dāng)load=11V時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相同電流條件下提升效率分別可以達(dá)到95.3%、70.5%、61.5%、49.0%，結(jié)論得到驗(yàn)證。

圖12 對(duì)PL和r的影響（Vload=7.2V、=5.7mF、=,opt）

4 結(jié)論

針對(duì)磁場(chǎng)能量收集中磁心飽和問(wèn)題，本文提出了一種基于磁通控制的磁能收集新方法，通過(guò)理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

1）所提方法通過(guò)在電路中增加電容組件，通過(guò)控制其串并聯(lián)狀態(tài)來(lái)緩解磁心飽和，提高了磁場(chǎng)能量收集功率。

2）存在最佳串聯(lián)起始時(shí)間和最佳電容組件電容值使收集功率最大，收集功率分別隨串聯(lián)起始時(shí)間和電容組件電容值的增大先增大后減小。

3）所提方法在負(fù)載電壓5～15V時(shí)，能有效緩解磁心飽和、提高能量收集功率，提升效果隨著負(fù)載電壓的增大而增大。負(fù)載電壓2～5V時(shí)則通過(guò)促進(jìn)磁心飽和提高能量收集功率。

4）在頻率為50Hz、有效值為4A的一次電流下，所提方法提升了能量收集功率，在本文研究的不同恒壓負(fù)載下提升幅度達(dá)36.8%～153.2%。

在未來(lái)的研究中，進(jìn)一步降低該方法的硬件復(fù)雜度和成本是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

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A Power Boosting Method of Electromagnetic Induction Magnetic Field Energy Harvester Based on Magnetic Flux Control

Ye Kai Liu Zhu Zhao Pengbo Yang Aijun Yuan Huan Wang Xiaohua Rong Mingzhe

（Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an 710049 China）

As the “nerve endings” of the power grid, wireless sensor networks play a more and more important role in the construction of smart grid. How to provide energy for sensor networks stably and reliably has attracted people's attention, and magnetic field energy harvesting technology has become the most promising technology to solve this problem. However, the increase in the magnetic field strength around the power line will cause the magnetic flux density of the magnetic core to reach the maximum value, and the deep saturation of the magnetic core will cause power loss and threaten the safety of the harvester. In order to solve this problem, a power enhancement method of electromagnetic induction magnetic field energy harvester based on flux control is proposed in this paper. By adding controllable capacitor components in the circuit, the core saturation is alleviated and the energy collection power is significantly improved.

The proposed magnetic field energy harvesting circuit adds a capacitor module which can change the series-parallel state between the load and the magnetic core coil, and its energy transmission process is as follows. At the beginning of each energy transfer cycle, the capacitor components are in parallel. Then, at the appropriate starting time of series, the capacitor module is controlled to be in series state, the voltage on the capacitor module is doubled, the voltage on the capacitor module is greater than the load voltage, the core voltage is reversed, and the accumulated flux is consumed. Core saturation is alleviated. Next, the control capacitor module returns to the state of parallel connection, and at the same time, the rising rate of core voltage is reduced by the larger capacitance in parallel, and the transmission time is prolonged.

Simulation and experimental results show that the series start time1, capacitance value0of capacitor module, load voltageloadand primary current1all affect the effectiveness of the proposed method. Among them, the influence of1on the effect of the method is related to the voltage of the corresponding capacitor module, and the appropriate voltage of the capacitor module can give full play to the role of core reverse voltage in alleviating core saturation.0affects the voltage change rate of capacitor components. The large change rate will lead to the rapid saturation of the magnetic core, while the small change rate will limit the effect of this method to alleviate the magnetic core saturation. After the load voltage is enough to make the core saturated, the larger theloadand the deeper the saturation, the better the effect of the method. When the load voltage is not enough to make the magnetic core saturated, the average output current is increased by promoting the magnetic core saturation, and then the energy harvesting power is increased. With the increase of1, the change rate of capacitor module voltage increases, the reverse time of core voltage shortens, and the ability to alleviate core saturation decreases, which finally leads to the decrease of lifting efficiency. At this time, increasing0and reducing the voltage change rate of capacitor components will help to alleviate the core saturation and improve the efficiency of energy harvesting.

The following conclusions can be drawn from the simulation and experimental analysis: ①The proposed method can alleviate the magnetic core saturation and improve the magnetic field energy harvesting power by adding capacitor components in the circuit and controlling its series-parallel state. ②There is the best series start time and the best capacitance value of the capacitor module to maximize the harvesting power, which increases at first and then decreases with the increase of the series start time and the capacitance value, respectively. ③When the load voltage is 5～15V, the proposed method can effectively alleviate the core saturation and improve the energy harvesting power, and the lifting effect increases with the increase of the load voltage. When the load voltage is 2～5V, the energy harvesting power is increased by promoting core saturation.④With a primary current of 4A at 50Hz, the proposed method increases the harvesting power by 36.8% to 153.2% under different constant voltage loads studied in this paper.

Magnetic energy harvesting, magnetic saturation, flux control, wireless sensor network

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220843

TM75

葉 凱 男，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榇艌?chǎng)能量收集。E-mail：yk1164586222@stu.xjtu.edu.cn

楊愛(ài)軍 男，1986年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟芰渴占-mail：yangaijun@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）

國(guó)家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目“面向能源互聯(lián)網(wǎng)自供電傳感關(guān)鍵技術(shù)研究”（52094020006Z）資助。

2022-05-15

2022-06-08

（編輯 郭麗軍）