[发明专利]基于电容储能的电磁感应式磁能收集器及功率提升方法

说明书

公开了基于电容储能的电磁感应式磁能收集器及功率提升方法，其中，主取能线圈套设于主回路之中以收集磁场能量，检测线圈套设于主回路之中以生成检测一次侧电流过零点的正弦信号；开关组S2与开关组S1交替通断，第一整流桥连接开关组S2与开关组S1，比较电路连接检测线圈以比较正弦信号并转化为过零方波信号；控制模块连接比较电路，基于过零方波信号确定一次侧电流过零点，并根据预定延迟时间大小确定互补控制信号gsubgt;0/subgt;和互补控制信号gsubgt;1/subgt;的相位和占空比，隔离模块连接控制模块，其包括四路光耦，四路光耦生成四路驱动信号Gsubgt;00/subgt;、Gsubgt;01/subgt;、Gsubgt;10/subgt;和Gsubgt;11/subgt;传送至对应MOSFET的栅极和源极两端以交替通断开关组S2与开关组S1。

技术领域

本发明涉及电磁感应式磁能收集器技术领域，尤其涉及一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器及功率提升方法。

背景技术

随着智能电网发展，大量传感器被投入到电网中进行信息采集，如何可靠地为众多传感器供电成为了急需解决的问题。环境微能量收集技术因其能克服传感器走线供电困难、电池供电的维护成本高及环境污染严重等问题，在传感器网络供电领域得到了越来越广泛的应用。相对于振动能和电场能等能量收集技术，电磁感应式磁能收集器以其功率密度高、成本低、结构简单和供电稳定性高等优点，逐渐成为一种业界主流的能量收集技术。

电磁感应式磁能收集器通过在二次线圈两端感应出电压实现能量输出，其等效电路模型如图1所示。输出功率取决于一次侧电流、磁芯、线圈匝数、负载以及电路损耗等多种因素。实际应用中，对于已安装的电磁感应式磁能收集器，其输出功率主要取决于一次侧电流和负载。下面通过等效电路模型分析磁能收集器的输出功率及其存在的问题。

对于理想的电流互感器而言，其等效励磁电感L_m无穷大，二次侧感应出的电流将全部流向负载。实际中励磁电感值L_m是有限的，维持负载电压必然需要励磁电流。当一次侧电流和负载电阻较小时，磁芯处于非饱和状态。使用高磁导率磁芯时其等效励磁电感阻抗远大于负载电阻，励磁电感的分流作用相对较弱。但由于电流和负载电阻较小，收集器的输出功率较低。当一次侧电流和负载电阻较大时，由磁芯的非线性特征可知，此时磁芯可能进入饱和状态。磁芯饱和后其内部磁感应强度的变化相对于励磁电流变化而言极小，二次侧几乎没有感应电压产生。在等效电路模型中体现为L_m迅速减小，励磁电感支路近似短路，感应电流几乎全部流经励磁电感支路，因此收集器的输出功率近似为零。

提高电磁感应式磁能收集器输出功率最直接的方法是增大磁芯的体积，缺点是这会显著增加装置的体积和成本。降低励磁电感的分流作用也可提高收集器的输出功率，通常采取的技术为在二次线圈两端并联补偿电容C_p，技术原理如图2所示。励磁电感L_m流过的电流为感性电流。通过匹配补偿电容C_p，使流过C_p的容性电流与流过L_m的感性电流大小相等方向相反，则可抵消励磁电感的分流作用，磁能收集器输出功率得以提高。该技术的主要缺点在于要实现良好的电流补偿作用，需要使补偿电容和励磁电感匹配。实际应用中由于磁芯的非线性特征，励磁电感与一次侧电流和负载大小有关，其对应的匹配补偿电容值变化范围较大。因此对于变化的一次侧电流和负载来说，使用固定的补偿电容效果较差。