隨著電力物聯網的建設和發展，如何穩定可靠地為傳感器網絡供電備受人們關注，磁場能量收集技術因受環境影響小、能量收集功率高成為解決這一問題最有希望的技術。西安交通大學榮命哲課題組通過解析磁場能量收集器的原理，提出了一種基於磁通控制的電磁感應式磁場能量收集器功率提升方法。實驗結果表明，所提出的方法可以在頻率為50Hz、有效值為4A的一次電流下顯著提升收集功率，在本文研究的不同恆壓負載下提升幅度達36.8%~153.2%。

研究（項目）背景

隨著電力物聯網的建設和發展，海量傳感器分布在電力系統中，傳統線纜和電池供電嚴重限制了傳感器的布置和維護，如何為傳感器網絡供電成為當前亟待解決的問題。近年來，基於能量收集的傳感器供電技術備受人們關注，其中磁場能量收集技術則以其優越的能量收集性能、較小的體積和低廉的成本最有希望成為傳感網絡的就地供電技術。

論文所解決的問題及意義

當前磁場能量收集技術雖然具有受環境影響小、能量密度高等優點，但是磁場強度的增大會導致磁芯的磁感應強度達到最大值，磁芯深度飽和會造成功率損失並威脅收集器的安全，本文提出一種基於磁通控制的電磁感應式磁場能量收集器功率提升方法，在較高磁場強度下緩解磁芯飽和並大幅了提高能量收集功率。

論文方法及創新點

所提方法電路拓撲如圖1所示，圖中電容組件由一組交替導通的開關S1、S2和兩個電容值相等電容器組成，通過控制開關通斷可以實現電容串並聯的轉換。通過在負載和磁芯線圈之間增加可改變串並聯狀態的電容組件來控制磁芯電壓的波形，從而控制磁芯中磁通的變化，緩解磁芯飽和，最終提高能量收集功率。

磁通控制方法的基本過程如圖2（a）所示；傳輸周期中瞬時收集功率和電容組件電壓波形如圖2（b）所示；對應的磁通和磁芯電壓波形如圖2（c）所示，其中Φsat為磁芯磁感應強度達到Bsat時對應的磁通量。整個能量傳輸過程可分為四個階段：

1）第一階段，S1導通、S2關斷，電容組件處於並聯狀態，此時電容組件電壓和負載電壓反向，磁芯電壓等於兩者之差。

2）第二階段，S1關斷、S2導通，將第二階段起始時間定義為串聯起始時間，標記為t1。此時電容組件變為串聯狀態，其電壓倍增，電容組件上的電壓大於負載電壓，磁芯電壓反向，磁通變化率變號，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，磁芯飽和，其電壓降為零。此時若電容組件電壓仍大於負載電壓，則其在第二階段放電。

3）第三階段，S1導通、S2關斷，電容組件恢復並聯狀態。將第三階段起始時間標記為t2，考慮到電容組件中各電容值總有差異，為減小電容並聯時的衝擊電流，使此時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，磁芯電壓上升相對緩慢，有利於延長傳輸時間。

4）第四階段，S1、S2維持上一階段狀態不變，磁芯飽和為進入此階段的標誌，此時，若電容組件電壓超過負載電壓，電容組件放電。若電容組件電壓未超過負載電壓，則第四階段不會傳輸功率。

結論

針對磁場能量收集中磁芯飽和問題，本文提出了一種基於磁通控制的磁能收集新方法，通過理論分析、仿真和實驗驗證，得出以下結論。

1）所提方法通過在電路中增加電容組件，通過控制其串並聯狀態來緩解磁芯飽和，提高了磁場能量收集功率。

2）存在最佳串聯起始時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起始時間和電容組件電容值的增大先增大後減小。

3）所提方法在負載電壓5-15V時，能有效緩解磁芯飽和、提高能量收集功率，提升效果隨著負載電壓的增大而增大。負載電壓2-5V時則通過促進磁芯飽和提高能量收集功率。

4）在頻率為50Hz、有效值為4A的一次側電流下，所提方法提升了收集功率，在本文研究的不同恆壓負載下提升幅度達36.8%~153.2%。

團隊介紹

西安交通大學榮命哲課題組長期從事新能源電力裝備開發和電力裝備智能運維研究。針對電力傳感網絡可靠供電，主要研究電力系統伴生的磁場能、電場能、機械能和熱能的高效收集利用關鍵技術，實現就地自驅動傳感，在該研究領域近年來承擔國家級項目2項，以及多項省部級和企業合作項目。

本文編自2023年第1期《電工技術學報》，論文標題為「一種基於磁通控制的電磁感應式磁場能量收集器功率提升方法」。本課題得到國家電網有限公司科技項目「面向能源網際網路自供電傳感關鍵技術研究」的支持。