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储能系统技术 储能系统 ★ 5.0

基于传输窗口调制的磁场能量收集与电源管理

Magnetic Field Energy Harvesting and Power Management With Transfer Window Modulation

作者 Hongfei Xiao · Han Peng · Yidong Zhao · Liwen Hou
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 磁场能量收集器 功率管理系统 传输窗口调制 磁化电流损耗 自供电系统
语言:

中文摘要

摘要:磁场能量采集器(MEH)被广泛用于为电力系统中的无线监测设备供电。实践证明,对MEH进行短路以移动能量传输窗口可有效提高采集功率。然而,短路阶段的励磁电流损耗通常被忽略,这使得最大功率采集依赖于近似计算和经验设计。此外,目前尚未开发出实用的功率管理系统。本文提出了一种基于传输窗口调制(TWM)的新型MEH功率管理系统。在考虑励磁电流损耗的情况下,对MEH的输出特性进行了分析。这有助于更准确地估计传输窗口,并可通过数值计算来设计最优传输窗口。此外,提出了一种TWM方法,通过调制传输窗口的长度来实现电压调节。最后,设计了一个采用有源整流器和双向直流 - 直流转换器的自供电MEH系统。实验表明,所提出模型计算的窗口长度均方根误差为3.6%,而传统模型为10.3%。通过设计线圈匝数,可通过数值计算而非经验设计来优化传输窗口。采集功率达到了MEH最大潜力的80.9%。在长期运行测试中也实现了电压调节,电压纹波小于0.15 V。

English Abstract

Magnetic field energy harvesters (MEHs) are widely used to supply wireless monitoring devices in power systems. Shorting the MEH to move the energy transfer window is proven to be efficient in enhancing the harvested power. However, magnetizing current losses in a short-circuiting phase were usually ignored, making the maximum power harvesting dependent on approximate calculation and empirical design. Additionally, a practical power management system has not yet been developed. This article proposes a novel power management system for MEHs based on transfer window modulation (TWM). The output characteristic of MEH is analyzed with magnetizing current losses considered. It guides a more accurate estimation of the transfer window and allows the optimal transfer window to be designed through numerical calculation. Furthermore, a TWM approach is proposed to achieve voltage regulation by modulating the length of the transfer window. Finally, a self-powered MEH system is designed with an active rectifier and bidirectional dc–dc converter. Experiments show the root mean squared error of the calculated window length is 3.6% for the proposed model and 10.3% for the traditional model. By designing the number of coil turns, the transfer window is optimized through numerical calculation rather than empirical design. The harvested power reaches 80.9% of the maximum potential of MEH. Voltage regulation is also achieved in the long-term operation test, with a voltage ripple of less than 0.15 V.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项磁场能量收集与传输窗口调制技术具有重要的应用价值。在我们的光伏逆变器、储能系统及电动汽车充电设施中,大量分布式监测节点需要可靠供电,而传统有线供电或电池更换方案存在维护成本高、可靠性受限等问题。该技术通过优化磁场能量采集效率,可为电力系统中的无线监测设备提供自供电解决方案。

该研究的核心创新在于精确建模了短路相位的磁化电流损耗,将能量采集效率提升至理论最大值的80.9%,相比传统经验设计方法,计算误差从10.3%降低至3.6%。这种基于数值计算的优化设计方法,与我们在逆变器MPPT算法和储能系统能量管理方面的技术积累高度契合。特别是其提出的传输窗口调制(TWM)电压调节技术,实现了小于0.15V的电压纹波控制,这对于我们开发高精度的状态监测系统具有直接参考价值。

从应用场景看,该技术可部署于光伏电站的组串监测、储能系统的电芯管理、以及充电桩的智能传感等环节,减少布线复杂度,降低运维成本。技术成熟度方面,论文已实现自供电系统原型,包含有源整流器和双向DC-DC变换器,具备工程化基础。

然而,技术挑战在于不同应用场景下磁场强度差异显著,需要针对性优化线圈匝数设计。此外,与我们现有的数字化监控平台集成时,需考虑能量收集的稳定性和通信可靠性。建议将此技术纳入我们智慧能源管理系统的研发路线图,特别是在高压大电流环境下的传感器供电方案中进行试点验证。