李衍川，江和

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

新型高壓側(cè)自供電電源設(shè)計(jì)與研究

李衍川，江和

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

分析了高壓電場(chǎng)能量收集的原理，建立靜電場(chǎng)耦合分布電容模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了模型的參考價(jià)值。隨后，分析使用整流橋電路進(jìn)行能量管理時(shí)的最佳功率點(diǎn)，并從增大超級(jí)電容充電電流的角度，設(shè)計(jì)了一種新型的管理電路，即同步電荷提取電路，以獲得最佳的能量存儲(chǔ)能力。結(jié)果證明存在一個(gè)最佳占空比使得收集的能量最大化，從而縮短無(wú)線節(jié)點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)工作周期。

能量收集;同步電荷提取;最佳占空比;在線監(jiān)測(cè)

1 引言

節(jié)能一直是人類(lèi)的追求，而能量收集技術(shù)是一種新的電源獲取方法和概念，它能置于惡劣環(huán)境中自發(fā)電，為一些低功耗的傳感節(jié)點(diǎn)供電［1］。能量收集技術(shù)的發(fā)展，使得將周?chē)h(huán)境的能量收集并存儲(chǔ)為有效電能成為可能，能量收集的最終目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)能應(yīng)用于電器高壓側(cè)的可靠電源，并且盡可能縮短傳感節(jié)點(diǎn)的工作周期，從而獲得更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的便攜式帶電指示器就是利用感應(yīng)高壓的原理，然而要為傳感器以及無(wú)線收發(fā)器等組成的微系統(tǒng)供電還存在許多問(wèn)題［2］。不同的負(fù)載具有特定的電壓和阻抗特性，這進(jìn)一步削減了能量收集器有限的能力。一直以來(lái)能量管理功率轉(zhuǎn)換效率的不足限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用，本文研究了一種新型的能量管理電路，能從10kV母排上收集近一毫瓦的功率，足夠讓低功耗節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的工作頻率下持續(xù)運(yùn)行。

2 高壓電場(chǎng)能量收集的原理

高壓母排周?chē)嬖诜浅?qiáng)的電場(chǎng)，而電場(chǎng)感應(yīng)能量的原理是電容耦合。文獻(xiàn)［3］介紹了一種電場(chǎng)能量收集器的測(cè)試裝置，并實(shí)驗(yàn)得出在交流150kV的傳輸線上，55cm長(zhǎng)的銅管可以收集到380mW的能量。在實(shí)驗(yàn)室里，電壓互感器的一次側(cè)母排可以提供高壓電場(chǎng)，當(dāng)薄銅片放置在母排附近時(shí)，其感應(yīng)母排所形成的耦合電容可收集電場(chǎng)能量。該過(guò)程的電路模型和等效電路如圖1所示。其中C12表示母排與銅片的平行電容，Ccouple表示對(duì)地耦合電容，VC12為感應(yīng)的母排電壓，作為能量收集的交流輸入電壓。

圖1 能量收集電路模型圖和等效電路圖Fig.1 Diagram and equivalent circuit of E-filed harvesting

電容C12可以根據(jù)平行板電容器的計(jì)算公式得到，而Ccouple則可以利用ANSYS靜電場(chǎng)的分析TREFFTZ方法得到［4］。在母排與銅片之間加上能量管理電路時(shí)，改變了整個(gè)電容耦合的阻抗分布，負(fù)載兩端的電壓會(huì)被壓得非常低，這將導(dǎo)致高壓幾乎全部加在銅片對(duì)地電容上，因此整個(gè)電路的電流幾乎由對(duì)地耦合電容決定。但是另一方面，如果負(fù)載阻抗足夠大，那么就可以得到比較大的VC12，因此可以將能量管理電路的作用理解為匹配收集電路的阻抗使得負(fù)載輸出功率最大化。

3 整流橋管理電路的最佳功率

耦合電容感應(yīng)能量是以交流的形式輸出的，在電路分析上可以把這種激勵(lì)源看成是由一個(gè)交流電流源is和電容Cs組成，Cs實(shí)際就是對(duì)地耦合電容Ccouple，而儲(chǔ)能元件需要的是直流電壓，因此由能量收集電路產(chǎn)生的電壓要經(jīng)過(guò)一個(gè)整流橋電路實(shí)現(xiàn)AC-DC的變換，之后再經(jīng)過(guò)一個(gè)足夠大的濾波電容Cf產(chǎn)生提供負(fù)載電流的電壓Vf，如圖2所示。

3.1 最佳功率點(diǎn)的推導(dǎo)

整流橋電路的每一個(gè)半波周期工作過(guò)程可以分為兩個(gè)階段:在第一個(gè)階段x1能量收集單元產(chǎn)生的源電流給極間電容Cs充電，在這個(gè)過(guò)程所有的二極管都是反向偏置的，輸出端無(wú)電流。這個(gè)過(guò)程要一直持續(xù)到能量收集單元兩端的電壓us(t)等于輸出電壓Vf。之后的第二個(gè)階段x2電流源給Cf充電，當(dāng)電壓反向時(shí)，二極管再次反向偏置，Cf上積累的電荷對(duì)負(fù)載放電，形成負(fù)載電流Io。此后第二個(gè)半波開(kāi)始，當(dāng)Cf上的電能耗盡后，二極管再次導(dǎo)通，能量收集單元又重新對(duì)其充電，如此一直反復(fù)循環(huán)下去，電路波形如圖3所示。

一個(gè)半波周期內(nèi)，瞬時(shí)輸出電流和平均輸出電流的表達(dá)式為:

圖3 整流橋電路工作波形圖Fig.3 Waveforms of rectifier circuit

最終可以得到用Vf來(lái)表示輸出功率的表達(dá)式，即:

式(2)意味著輸出功率和輸出電壓有關(guān)，想實(shí)現(xiàn)最大的功率輸出，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)輸出功率的函數(shù)求極值可以很容易得出輸出功率最大處的輸出電壓Vopt為:

3.2 最佳功率點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4給出了整流橋輸出功率隨負(fù)載電阻從100Ω到100kΩ變化時(shí)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)的比較。可以看出隨著電阻的增大，功率先增大后減小，這符合式(3)關(guān)于功率隨著輸出電壓的變化規(guī)律。當(dāng)輸出電阻為50kΩ左右時(shí)，輸出功率達(dá)到最大，最大的輸出功率為10mW左右。

圖4 整流橋輸出功率曲線Fig.4 Output power trace by rectifier

4 同步電荷提取技術(shù)

雖然整流橋電路對(duì)于電阻負(fù)載具有良好的輸出特性，但是要想給無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)供電，需要穩(wěn)定的直流小電壓，這通常需要在輸出電路中加上超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，在這種情況下負(fù)載一直在變化，因此整流橋電路的能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。Richard在進(jìn)行非線性能量收集時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)整流橋電路與DCDC開(kāi)關(guān)電路結(jié)合時(shí)，可以使收集功率與待供電器件輸入阻抗函數(shù)無(wú)關(guān)，并搭建了反激型結(jié)構(gòu)的同步電荷提取電路進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明這種優(yōu)化能夠獲得更高的效率和更寬的工作范圍［5］。

4.1 同步電荷提取電路特性

本文的負(fù)載是額定電壓為2.7V的超級(jí)電容，預(yù)先充電至2.5V。考慮到高壓側(cè)電源的緊湊性和方便性，開(kāi)關(guān)拓?fù)洳捎煤?jiǎn)單的BUCK結(jié)構(gòu)，電路原理如圖5所示。

圖5 同步電荷電路原理圖Fig.5 Schematic circuit diagram of SECE

單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖直接控制MOS管的開(kāi)斷。MOS管斷開(kāi)，電荷積累在Cin中，單片機(jī)檢測(cè)到超過(guò)超級(jí)電容電壓值，開(kāi)通MOS管，電荷迅速轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容中。單片機(jī)采樣并比較BUCK的輸入輸出電壓，根據(jù)比較值決定MOS管的占空比，因此理論上，提取的電荷不會(huì)受超級(jí)電容充放電而引起的負(fù)載變化的影響，其工作波形如圖6所示。

圖6 電荷提取電路工作波形圖Fig.6 Waveforms of SECE circuits

4.2 同步電荷提取電路測(cè)試

電荷提取電路能夠?qū)ふ易罴颜伎毡仁沟贸?jí)電容的充電電流最大，具體的過(guò)程如圖7所示。這里，初選的占空比為10%，隨著時(shí)間的推移，充電電流會(huì)逐漸增大，占空比則逐漸向最佳占空比靠近，最后，系統(tǒng)達(dá)到最佳占空比，并以此占空比運(yùn)行。穩(wěn)定后充電電流能夠維持在700μA，而超級(jí)電容工作時(shí)兩端電壓在1.8～2.5V之間波動(dòng)，可見(jiàn)超級(jí)電容收集的平均功率約為1mW。

圖7 自適應(yīng)下的電流和占空比波形圖Fig.7 Current and duty trace controlled by SECE circuits

4.3 電源綜合試驗(yàn)

當(dāng)銅片感應(yīng)高壓電場(chǎng)能量后經(jīng)過(guò)同步電荷提取電路將能量?jī)?chǔ)存到超級(jí)電容中，并由超級(jí)電容給單片機(jī)最小系統(tǒng)和ANT無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)供電，系統(tǒng)每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次溫度傳感器的采樣并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，完成之后系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，由看門(mén)狗定時(shí)器喚醒，連續(xù)運(yùn)行24h后測(cè)量一次超級(jí)電容的電壓，觀測(cè)是否有電壓變化。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 自供電電源測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Field test of self-powered supply

結(jié)果證明，每隔128s單片機(jī)喚醒一次，連續(xù)運(yùn)行后超級(jí)電容電壓下降了0.024V。第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)將單片機(jī)的采樣頻率改為256s一次，同樣經(jīng)過(guò)24h后電壓上升了0.041V。可以認(rèn)為，調(diào)節(jié)采樣和發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔在2～4min之間，能量收集器能達(dá)到用電平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論

高壓電場(chǎng)存在足夠的靜電能能夠以耦合的方式被收集，并利用于低功耗節(jié)點(diǎn)的供電。采用同步電荷提取技術(shù)優(yōu)化的能量管理電路克服了負(fù)載變化對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能的影響，可以實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)自供能要求，并且采樣間隔可低至四分鐘以內(nèi)。

［1］Hubbert Zangl，T Bretterklieber，G Brasseur.Energy harvesting for on-line condition monitoring of high voltage overhead power lines［A］.IMTC 2008［C］.2008.1364-1369.

［2］M Zhu，M Judd，P Moore.Energy harvesting technique for powering autonomous sensors within substations［A］.International Conference on Sustainable Power Generation and Supply［C］.Nanjing，China，2009.1-5.

［3］Hubbert Zangl，T Bretterklieber，G Brasseur.A feasibility study on autonomous online condition monitoring of high-voltage overhead power lines［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2009，58 (5):1789-1796.

［4］孫明禮(Sun Mingli).ANSYS10.0電磁學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程(ANSYS10.0 and electromagnetic finite elementanalysis example guidance tutorial)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社(Beijing:China Machine Press)，2007.

［5］沙山克·普里亞，丹尼爾·茵曼(SPriya，D J Inman).能量收集技術(shù)(Energy harvesting technologies)［M］.南京:東南大學(xué)出版社(Nanjing:Southeast University Press)，2011.203-217.

New energy management circuit applied in electric self-power supply over high voltage side

LIYan-chuan，JIANG He
(College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

The theory of energy harvested from the high voltage is analyzed，and then the correspondingmodel of coupling capacitance derived from static electric field is built，and several experiments are conducted to study whether themodel is valuable.Then，according to what the result reveals，the optimal power point is found out when energy ismanaged by rectifier circuit.The value of charged current to super capacitor is used as the judgementwhether the circuit system has the best storage performance.In that respect，management circuit is improved as a technology called Synchronous Electric Charge Extract，because the rectifier circuit can’t perform as good as it is under ultrahigh voltage.It turns out that there is an optimal duty tomaximize the energy harvested，so that the energy harvester can scavengemuchmore energy to cancel out the power loss.As a result，onlinemonitoring period could be shortened greatly.

energy harvesting;synchronous electric charge extract;optimal duty;onlinemonitoring

TM910

A

1003-3076(2014)08-0077-04

2012-10-18

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J05087)

李衍川(1987-)，男，福建籍，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測(cè)技術(shù);江和(1958-)，男，福建籍，副教授，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測(cè)技術(shù)。