CN114285178B - 基于电容储能的电磁感应式磁能收集器及功率提升方法 - Google Patents

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Abstract

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g0和互补控制信号g1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G00、G01、G10和G11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。

Description

基于电容储能的电磁感应式磁能收集器及功率提升方法
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Lm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Lm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Lm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Cp，技术原理如图2所示。励磁电感Lm流过的电流为感性电流。通过匹配补偿电容Cp，使流过Cp的容性电流与流过Lm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。
图3(a)和图3(b)展示了另一种提高磁能收集器输出功率的技术。该技术在整流电路前串联电容对磁芯磁通进行整形，进而达到提高输出功率的目的。当一次侧电流较小、负载电压较低时，磁芯未饱和，串联电容主要起到功率因数校正的作用，选择合适的电容值可提高输出功率；当一次侧电流较大、负载电压较高时，磁芯进入饱和状态。感应电流换向后的一段时间内，串联电容的电压极性与负载电压极性相反，电容电压抵消掉部分负载电压。二次线圈两侧的电压与不串联电容时相比显著降低，因此磁芯处于非饱和状态的时间延长，进而提高磁能收集器的输出功率。然而，最优电容值与一次侧电流和负载电压有关。要实现对变化的一次侧电流和负载电压的适应，需要在检测一次侧电流和负载电压后对串联电容值进行调节。调节电路中串联电容值大小的控制难度较高且可靠性较低，同时复杂控制电路的加入会显著提高磁能收集器的成本。同时，当一次侧电流过大时电容电压峰值较高，这可能对电容和磁能收集装置造成损害。这些缺点给该技术的实际应用带来很大的困难。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供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，解决现有功率提升技术无法做到在适应变化的一次侧电流和负载的同时，实现大电流下对装置的保护以及兼顾控制难度和成本的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器包括，
含磁芯线圈，其包括，
主取能线圈，其套设于主回路之中以收集磁场能量，
检测线圈，其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；主回路模块，其包括，
开关组S1，其包括多个MOSFET开关，
开关组S2，其包括多个MOSFET开关，开关组S2与开关组S1交替通断，
第一整流桥，其连接所述开关组S2与开关组S1，
储能电容Ces，
负载；
检测模块，其检测一次侧电流过零点，其包括，
比较电路，其连接所述检测线圈以比较所述正弦信号并转化为过零方波信号；
控制模块，其连接所述比较电路，基于所述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g0和互补控制信号g1的相位和占空比，
隔离模块，其连接所述控制模块，其包括四路光耦，四路光耦分为将互补控制信号g0进行隔离和放大的一组和将互补控制信号g1进行隔离和放大的另一组，四路光耦生成四路驱动信号G00、G01、G10和G11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。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器中，还包括连接检测模块和隔离模块的电源模块。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器中，电源模块包括DC-DC调压模块与五路隔离芯片，其中，四路隔离芯片为隔离模块供电，另一路隔离芯片为检测模块供电。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器中，检测模块还包括第二整流桥。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器中，检测模块中，被比较信号为恒定低电平直流信号，当正弦信号小于直流信号时比较电路输出低电平，正弦信号大于直流信号时比较电路输出高电平。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器中，储能电容Ces串联在磁能收集器的主回路模块前端，在每个一次侧电流的半周期内，开关组S2与开关组S1交替通断来控制电容和所述负载接入电路的时间。
一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法包括以下步骤：
第一步骤，检测线圈套设于主回路之中以感应生成正弦信号并发送检测模块，正弦信号经第一整流桥和比较电路转化为过零方波信号并传送到控制模块；
第二步骤，控制模块基于所述过零方波信号确定一次侧电流过零点后，根据预定延迟时间确定互补控制信号g0和互补控制信号g1的占空比和相位并传送至隔离模块；
第三步骤，隔离模块隔离和放大所述互补控制信号g0和互补控制信号g1且产生四路信号G00、G01、G10和G11分别加至对应MOSFET的栅极和源极两端作为MOSFET驱动信号，控制主回路模块中交替通断开关组S2与开关组S1，实现电容的充放电；
第四步骤，预定时间后返回第二步骤，重新确定一次侧电流过零点以校正互补控制信号g0和互补控制信号g1的占空比和相位。
所述的一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法中，在每个一次侧电流的半周期内，利用两组开关S1和S2的交替通断来控制电容和负载接入电路的时间。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器中，当开关组S1导通、S2断开时，电容和负载从电路中断开，开关组S1将主取能线圈短路，主取能线圈流过短路电流is(t)以阻止磁芯内部磁通累积；当开关组S1断开、S2导通时，电容和负载串联接入电路，磁芯未饱和时，主取能线圈对负载提供能量的同时向电容充电，在磁芯进入饱和状态后，电容将通过开关组S2导通构成的回路进行放电。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器中，在一次侧电流过零点后预定延迟时间td的时间段内，控制开关组S1导通，S2断开，定预定延迟时间td时刻后控制开关组S1断开，S2导通，直至下一个电流过零点时再次交替。
在上述技术方案中，本发明提供的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具有以下有益效果：本发明所述的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通过两组开关S1和S2的交替通断而引入的延迟时间td，实现了对负载电流波形和电容储存能量的控制，进而实现了不同一次侧电流和负载条件下磁能收集器功率的有效提升，通过控制开关组S1和S2的通断，将电容和负载接入电路的时间控制在一次侧电流过零点附近，进而实现了大电流条件下对装置的保护。现有的磁能收集器功率提升技术不能适应变化的一次侧电流和负载，或为适应变化的电流和负载而需要不断调节并联补偿电容或整流电路前的串联电容，具有控制难度和成本显著提升的缺点。同时现有的功率提升技术无法做到大电流条件下对装置的保护。本方法不需调节电容大小即可实现磁能收集器功率在不同一次侧电流和负载时的有效提升，同时在大电流时有效保护装置。本方法中开关组S1和S2交替通断所需的控制难度和成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的电磁感应式磁能收集器等效电路模型的示意图，其中Ipsin(ωt)为一次侧电流，Ns为线圈匝数，Ipsin(ωt)/Ns为等效二次侧电流，Lm为励磁电感，im(t)为励磁电流，Lleak为磁芯漏电感，Rwire为线圈电阻，iload(t)为负载电流，这些变量参数在全文通用，此后不再做过多赘述；
图2为现有技术的二次线圈两侧并联补偿电容的取能技术示意图，其中ic(t)为流经所加补偿电容Cp的电流；
图3(a)、图3(b)为现有技术的串联磁通整形电容的取能技术示意图，其中uc(t)为所加磁通整形电容C的端电压；
图4(a)、图4(b)为本发明基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的取能示意图，其中Ces为所添加储能电容，S1和S2为所添加开关组，is(t)表示当S1闭合，S2断开时流经开关S1的短路电流，ic1(t)表示磁芯未饱和时二次侧向电容和负载同时充电时的电容电流，ic2(t)表示当磁芯饱和时储能电容Ces向负载放电的电流，由于储能电容Ces和负载串联，因此ic1(t)和ic2(t)也可看做不同时段的负载电流；
图5为本发明基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的开关组S1和S2交替通断的控制示意图，其中td表示延迟时间，td+tsat表示磁芯进入饱和的时刻，T为一次侧信号的周期；
图6为本发明基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的引入预定延迟时间前后磁能收集器负载电流波形对比示意图，虚线为没有延迟时间时的负载电流，实线为有延迟时间时的负载电流；
图7为本发明基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的增大延迟时间以保护装置的负载电流波形示意图；
图8为本发明基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的一个实施例的结构示意图，其中G00、G01、G10、G11为隔离模块8产生的四路驱动信号，g0和g1为控制模块7产生的控制信号；
图9为本发明基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。如图4(a)至图8所示，一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器包括，
含磁芯线圈，其包括，
主取能线圈1，其套设于主回路3之中以收集磁场能量，匝数为Ns，输出的信号为Ipsin(ωt)/Ns，励磁电感为Lm，励磁电流为im(t)，
检测线圈2，其套设于主回路3之中以生成检测一次侧电流Ipsin(ωt)过零点的正弦信号；主回路模块4，其包括，
开关组S1，其包括多个MOSFET开关，当S1闭合S2断开时，流经S1的短路电流为is(t)，
开关组S2，其包括多个MOSFET开关，开关组S2与开关组S1交替通断，
第一整流桥5，其连接所述开关组S2与开关组S1，
负载，
储能电容Ces；
检测模块6，其检测一次侧电流过零点，其包括，
比较电路，其连接所述检测线圈2以比较所述正弦信号并转化为过零方波信号；
控制模块7，其连接所述比较电路，基于所述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td的大小确定互补控制信号g0和互补控制信号g1的相位和占空比，
隔离模块8，其连接所述控制模块7，其包括四路光耦，四路光耦分为将互补控制信号g0进行隔离和放大的一组和将互补控制信号g1进行隔离和放大的另一组，四路光耦生成四路驱动信号G00、G01、G10和G11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。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的优选实施例中，还包括连接检测模块6和隔离模块8的电源模块9。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的优选实施例中，电源模块9包括DC-DC调压模块与五路隔离芯片，其中，四路隔离芯片为隔离模块8供电，另一路隔离芯片为检测模块6供电。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的优选实施例中，检测模块6还包括第二整流桥。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的优选实施例中，检测模块6中，被比较信号为恒定低电平直流信号，当正弦信号小于直流信号时比较电路输出低电平，正弦信号大于直流信号时比较电路输出高电平。
所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的优选实施例中，储能电容Ces串联在磁能收集器的主回路模块4前端，在每个一次侧电流的半周期内，开关组S2与开关组S1交替通断来控制电容和所述负载接入电路的时间。
在一个实施例中，开关组S1包括串联的MOSFET开关S1、MOSFET开关S2、MOSFET开关S5。进一步地，MOSFET开关S2串联MOSFET开关S1，MOSFET开关S5经由第二整流桥连接MOSFET开关S2。
在一个实施例中，开关组S2包括串联的MOSFET开关S3、MOSFET开关S4、MOSFET开关S6和MOSFET开关S7。进一步地，MOSFET开关S4经由第二整流桥连接MOSFET开关S6。
在一个实施例中，主取能线圈1的磁芯选取内径32mm，外径50mm，高20mm的环形磁芯，绕制0.9mm线圈200匝，负载电阻设为1000Ω，传输线电流为4A的时候，普通整流收集的功率为91mW，预定延迟时间设为4ms，储能电容设为3μF时，收集的功率为134mw，同比提升47.5％。
在一个实施例中，基于电容储能的电磁感应式磁能收集器包括含磁芯线圈、主回路模块4、检测模块6、控制模块7、隔离模块8和电源模块9六部分。含磁芯线圈部分由主取能线圈1和检测线圈2组成，主取能线圈1接入主回路3之中用于收集磁场能量，是磁能收集器的主线圈。检测线圈2相对较小，连接到检测模块6用于检测一次侧电流过零点。主回路模块4包括由多个MOSFET构成的开关组S1(S1、S2、S5)和开关组S2(S3、S4、S6、S7)、整流桥和负载。检测模块6由整流桥和比较电路组成。比较信号为检测线圈2产生的正弦信号，被比较信号为设置的恒定低电平直流信号。当正弦信号小于直流信号时比较电路输出低电平，正弦信号大于直流信号时比较电路输出高电平。检测线圈2产生的正弦信号经比较电路转化为过零方波信号并传送至控制模块7中。检测模块6目的在于检测一次侧电流过零点。控制模块7主要为MCU，MCU通过接收检测模块6输出的过零方波信号确定一次侧电流过零点，并根据设定的延迟时间大小确定互补控制信号g0和g1的相位和占空比。互补控制信号g0和g1输出至隔离模块8。隔离模块8由四路光耦组成。四路光耦分为两组，分别将控制模块7输出的两路控制信号g0和g1进行隔离和放大。产生的四路驱动信号G00、G01、G10和G11传送至对应MOSFET的栅极和源极两端，通过驱动信号控制MOSFET的通断进而控制主回路3中对应支路的通断。电源模块9由DC-DC调压模块与五路隔离芯片组成，其中的四路隔离芯片为隔离模块8供电，另一路隔离芯片为检测模块6供电。
一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法包括以下步骤：
第一步骤，检测线圈2套设于主回路3之中以感应生成正弦信号并发送检测模块6，正弦信号经第一整流桥5和比较电路转化为过零方波信号并传送到控制模块7；
第二步骤，控制模块7基于所述过零方波信号确定一次侧电流过零点后，根据预定延迟时间确定互补控制信号g0和互补控制信号g1的占空比和相位并传送至隔离模块8；
第三步骤，隔离模块8隔离和放大所述互补控制信号g0和互补控制信号g1且产生四路信号G00、G01、G10和G11分别加至对应MOSFET的栅极和源极两端作为MOSFET驱动信号，控制主回路模块4中交替通断开关组S2与开关组S1，
第四步骤，预定时间后返回第二步骤，重新确定一次侧电流过零点以校正互补控制信号g0和互补控制信号g1的占空比和相位。
所述的一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法的优选实施方式中，在每个一次侧电流的半周期内，利用两组开关S1和S2的交替通断来控制电容和负载接入电路的时间。
所述的一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法的优选实施方式中，当开关组S1导通、S2断开时，电容和负载从电路中断开，开关组S1将主取能线圈1短路，主取能线圈1流过短路电流is(t)以阻止磁芯内部磁通累积；当开关组S1断开、S2导通时，电容和负载串联接入电路，磁芯未饱和时，主取能线圈1对负载提供能量的同时向电容Ces充电，在磁芯进入饱和状态后，电容Ces将通过开关组S2导通构成的回路进行放电。
所述的一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法的优选实施方式中，在一次侧电流过零点后预定延迟时间td的时间段内，控制开关组S1导通，S2断开，定预定延迟时间td时刻后控制开关组S1断开，S2导通，直至下一个电流过零点时再次交替。
在一个实施例中，基于电容储能的电磁感应式磁能收集器功率提升方法，所述方法在一个匝数为Ns的磁能收集器的整流电路前端串联储能电容Ces。在每个一次侧电流Ipsin(ωt)的半周期内，利用两组开关S1和S2的交替通断来控制电容Ces和负载接入电路的时间，从而实现对电容充电电流和负载功率的控制。当开关组S1导通、S2断开时，如图4(a)所示，电容和负载从电路中断开，开关组S1将二次线圈短路。二次侧线圈电流Ipsin(ωt)/Ns大部分流过开关组S1，形成短路电流is(t)，流经励磁电感Lm的电流im(t)大大减少，阻止了磁芯内部不必要的磁通累积。当开关组S1断开、S2导通时，如图4(b)所示，电容和负载串联接入电路。磁芯未饱和时，线圈对负载提供能量的同时向电容充电，如电流ic1(t)所示。在磁芯进入饱和状态后，电容将通过开关组S2导通构成的回路进行放电，如电流ic2(t)所示，电容储存的能量大部分通过回路传输到负载，由于负载和储能电容Ces串联的关系，在磁芯未饱和时负载电流iload(t)等于ic1(t)，在磁芯饱和时负载电流iload(t)等于ic2(t)。
与现有技术直接在整流电路前串联电容相比，本方法可通过开关组S1和S2的交替通断对负载电流波形和电容上储存的能量进行控制，具体控制方法如图5所示。在一次侧电流过零点后td的时间段内，控制开关组S1导通，S2断开，定义td为延迟时间。td时刻后控制开关组S1断开，S2导通，直至下一个电流过零点时再次交替。在[0，td]的时间段内二次线圈短路，电容和负载从电路中断开。在[td，td+tsat]的时间段内线圈向负载提供能量的同时为电容充电。延迟时间td的引入使电流ic1(t)的有效值显著提高，进而提高了该阶段的负载功率。同时由于电容充电电流的增大，在td+tsat时刻磁芯进入饱和状态时电容上储存的能量也会增加。在[td+tsat，T/2]的时间段内由电容放电为负载提供能量。由于引入延迟时间使得电容上储存的能量增加，放电电流ic2(t)的有效值也会增大，进一步提高了这一阶段的负载功率。如图6所示，在不同的一次侧电流和负载条件下延迟时间td的引入均能实现ic1(t)和ic2(t)有效值的增加。因此，不同一次侧电流和负载条件下的负载功率与直接在整流电路前串联电容时相比均能得到显著提升。与并联补偿电容技术相比，本方法使用固定的储能电容也能在不同一次侧电流和负载条件下实现良好的功率提升效果。本方法通过引入延迟时间td实现了储能电容固定时磁能收集器在不同一次侧电流和负载条件下的功率提升。
此外，本方法可通过增大延迟时间至下一个电流过零点附近实现大电流条件下对装置的保护，如图7所示。将开关组S1断开，S2导通的时段控制在接近下一个电流过零点的时刻附近，其余时刻保持开关组S1导通，S2断开。由于过零点附近的电流幅值较低，将电容和负载接入电路的时段控制在电流过零点附近，可显著降低电容和负载电压峰值进而达到保护装置的目的。
由于电网频率并非始终为理想值50Hz，而是在小范围内实时波动，这会使针对固定电网频率的控制开关组S1和S2交替通断的方法出现偏差。为在电网频率波动的条件下实现对开关组S1和S2交替通断的精确控制，可通过定时对一次侧电流过零点进行检测以实现控制信号的校正。因此开关组S1和S2交替通断的控制方法主要可分为四个步骤：1、通过电流检测线圈2和检测模块6实现一次侧电流过零点的检测。2、控制模块7根据检测的一次侧电流过零点和设定的延迟时间td，输出开关组S1和S2通断的控制信号。3、隔离模块8将控制信号进行隔离和放大后施加至对应开关，控制相应开关的通断；4、一段时间后返回步骤1重新检测一次侧电流过零点，实现控制信号校正。与现有技术需在检测一次侧电流和负载电压后再调节并联补偿电容或整流电路前的串联电容相比，以上各步骤的实现难度和成本较低。
在一个实施例中，如图9所示，功率提升方法包括以下步骤：
步骤A1：通过检测线圈2向检测模块6输入正弦感应电流信号，正弦信号经检测模块6中整流桥和比较电路转化为过零方波信号，其低电平代表一次侧电流过零点。检测电路将输出的过零方波信号传送到控制模块7。
步骤A2：控制模块7在通过接收的过零方波信号低电平确定一次侧电流过零点后，根据设定的延迟时间确定互补控制信号g0和g1的占空比和相位，互补控制信号g0和g1将传送至隔离模块8。
步骤A3：由电源模块9供电，隔离模块8将控制模块7输出的两路控制信号g0和g1进行隔离和放大。产生的四路信号G00、G01、G10和G11分别加至对应MOSFET的栅极和源极两端作为MOSFET驱动信号，控制主回路3中对应支路的通断。
步骤A4：一段时间后返回步骤A2，重新确定一次侧电流过零点，校正互补控制信号g0和g1的占空比和相位。
此外，隔离模块8可以采用其他信号隔离和放大方式，如运算放大器组成电路等；开关组S1和S2可以采用除MOSFET以外的其余全控型电力电子器件等，这些变形与替换均属于本发明的保护范围。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (6)

1.一种基于电容储能的电磁感应式磁能收集器，其特征在于，其包括，
含磁芯线圈，其包括，
主取能线圈，其套设于主回路之中以收集磁场能量，
检测线圈，其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；主回路模块，其包括，
开关组S1，其包括多个MOSFET开关，
开关组S2，其包括多个MOSFET开关，开关组S2与开关组S1交替通断，
第一整流桥，其连接所述开关组S2与开关组S1，
负载；
检测模块，其检测一次侧电流过零点，其包括，
比较电路，其连接所述检测线圈以比较所述正弦信号并转化为过零方波信号；
控制模块，其连接所述比较电路，基于所述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g 0 和互补控制信号g 1 的相位和占空比，
隔离模块，其连接所述控制模块，其包括四路光耦，四路光耦分为将互补控制信号g 0 进行隔离和放大的一组和将互补控制信号g 1 进行隔离和放大的另一组，四路光耦生成四路驱动信号G 00 、G 01 、G 10 和G 11 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，储能电容C es 串联在磁能收集器的主回路模块前端，在每个一次侧电流的半周期内，开关组S2与开关组S1交替通断来控制电容和所述负载接入电路的时间，在每个一次侧电流的半周期内，利用两组开关S1和S2的交替通断来控制电容和负载接入电路的时间，当开关组S1导通、S2断开时，电容和负载从电路中断开，开关组S1将主取能线圈短路，主取能线圈流过短路电流i s (t)以阻止磁芯内部磁通累积；当开关组S1断开、S2导通时，电容和负载串联接入电路，磁芯未饱和时，主取能线圈对负载提供能量的同时向电容充电，在磁芯进入饱和状态后，电容将通过开关组S2导通构成的回路进行放电，在一次侧电流过零点后预定延迟时间t d 的时间段内，控制开关组S1导通，S2断开，定预定延迟时间t d 时刻后控制开关组S1断开，S2导通，直至下一个电流过零点时再次交替。
2.根据权利要求1所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器，其特征在于，还包括连接检测模块和隔离模块的电源模块。
3.根据权利要求1所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器，其特征在于，电源模块包括DC-DC调压模块与五路隔离芯片，其中，四路隔离芯片为隔离模块供电，另一路隔离芯片为检测模块供电。
4.根据权利要求1所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器，其特征在于，检测模块还包括第二整流桥。
5.根据权利要求1所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器，其特征在于，检测模块中，被比较信号为恒定低电平直流信号，当正弦信号小于直流信号时比较电路输出低电平，正弦信号大于直流信号时比较电路输出高电平。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的基于电容储能的电磁感应式磁能收集器的功率提升方法，其特征在于，其包括以下步骤：
第一步骤，检测线圈套设于主回路之中以感应生成正弦信号并发送检测模块，正弦信号经第一整流桥和比较电路转化为过零方波信号并传送到控制模块；
第二步骤，控制模块基于所述过零方波信号确定一次侧电流过零点后，根据预定延迟时间确定互补控制信号g 0 和互补控制信号g 1 的占空比和相位并传送至隔离模块；
第三步骤，隔离模块隔离和放大所述互补控制信号g 0 和互补控制信号g 1 且产生四路信号G 00 、G 01 、G 10 和G 11 分别加至对应MOSFET的栅极和源极两端作为MOSFET驱动信号，控制主回路模块中交替通断开关组S2与开关组S1，第四步骤，预定时间后返回第二步骤，重新确定一次侧电流过零点以校正互补控制信号g 0 和互补控制信号g 1 的占空比和相位。
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