一種高Q值的諧振式無線能量傳輸技術的應用

湯 偉，楊瑞霞，郭志濤，顧軍華

(河北工業大學，天津 300401）

一種高Q值的諧振式無線能量傳輸技術的應用

湯 偉，楊瑞霞，郭志濤，顧軍華

(河北工業大學，天津 300401）

針對經皮無線供電系統中松耦合的電磁感應供電方式存在的能量傳輸距離近，傳輸效率低的問題，分析了一種基于高Q值的諧振式能量傳輸方式。首先分析了諧振式能量傳輸的理論模型以及Q值在能量傳輸效率中的作用;其次對基本經皮感應電路進行改進，通過在驅動和負載之間增加一對諧振線圈，減小信號源內阻以及負載對Q值的影響;最后搭建實驗測試裝置進行對比實驗，采用增加諧振線圈的方式提高了系統Q值，相同傳輸距離時能量傳輸效率提高了4倍，傳輸距離也有了明顯改善，證明了該方法的有效性。

高Q值;經皮無線供電;磁耦合;諧振

1 引言

植入式電子裝置是一種埋置在生物體或人體內的電子設備，實現在生命體自然狀態下體內的直接測量和控制功能，也可用來代替、補充人體器官的功能等。目前經皮能量傳輸都采用無接觸點方式，基本都是基于電磁感應方式進行能量傳輸［1-2］。

但是采用電磁感應式的無線傳輸存在效率低，距離近的問題。原因主要有以下兩個方面:①基于電磁感應的能量傳輸效率對距離要求較高，目前電磁感應方式應用中，只有當距離接近零時效率才能達到80%，發送線圈和接收線圈遠離時，能量傳輸效率急劇下降;②能量傳輸系統的傳輸線圈和負載線圈的Q值比較低，系統能量效率損耗大，導致系統的能量傳遞效率不高［3-4］。鑒于此，本文設計了高Q值的諧振式經皮能量傳輸系統，通過增加一對諧振線圈的方式，同時獲得了傳輸方式和線圈Q值兩方面的改進，有效地提高了能量傳輸效率。

2 諧振式磁耦合理論

Marin Soljacic在文獻［5］中論證了使用諧振物體利用非輻射場［6］的尾端來高效傳輸能量的可行性。他指出:兩個諧振物體的諧振頻率相同時能有效地交換能量，只有微量能量損耗在外來的偏共振物體上。在諧振耦合系統中，通常會有一個“強耦合”的運轉區域。如果能量的傳輸發生在該區域，環境中的物體干擾很小，損失到環境中的能量很少，就能實現高效率的傳輸［5］。

共振物體發生強耦合相互作用可以使用耦合模型理論來描述這個物理系統［7］，得到如下的線性方程式:

式中 |am(t）|2——物體m包含的能量;

ωm——單獨的物體m的振動角頻率;

Γm——物體 m固有的衰退率(如由于被其他吸收和本身輻射損失）;

kmn=knm——共振物體m及n間的耦合系數;

Fm(t）——表示驅動項。

對一個由接收裝置線圈(用D表示）和驅動源線圈(用S表示）組成的系統而言，S被固定頻率的外力驅動，并且這兩個物體之間的耦聯系數為 κ。傳輸到D的能量用W表示，接收端沒有負載時衰退率為ΓD(固有衰退率），有負載時就增加一個ΓW的影響，因此D總的衰退率Γ'D=ΓD+ΓW。獲得的能量決定于在負載中消耗的能量，即2ΓW|aD(t）|2。根據方程(1），考慮到ΓW，能量傳輸效率η滿足:

3 諧振電路的品質因數Q

圖1所示是基本的諧振式無線能量傳輸電路，R1，R4分別是線圈 L1、L4的直流電阻，當 R1、R4足夠小時(本實驗中為0.21～0.25Ω），負載RL和電源內阻RS與LC諧振電路相并聯，則電路的Q值決定于RL、RS。實際應用情況是電源內阻和負載的阻值一般都很大，通常電源內阻都為500Ω左右，這樣就會導致Q一般都較小，因此難以實現高效率的無線能量傳輸。

圖1 基本的諧振式無線傳能模型Fig.1 Basic model of resonant wireless energy transfer

4 諧振電路的改進

由以上的分析可以得知發送線圈的內阻和負載線圈的負載電阻是限制Q值的主要因素。而在實際當中，這兩個電阻不能任意減小，單純的提高線圈電感量也難以實現高Q值。在這種情況下，本文針對下面的改進方法進行了分析。如圖2所示，在發送線圈L1和負載線圈L4之間增加了兩個分別串聯有C2、C3的諧振線圈L2、L3，二者之間能夠實現諧振式磁耦合，圖中L1與信號源相連，它與L2之間采用緊耦合電磁感應能量傳輸，L4是負載線圈，它與L3采用電磁感應能量傳輸。

圖2 改進的諧振電路模型Fig.2 Improved model of resonant circuit

5 電路模型的實驗測量

基于以上的理論分析，本文設置了兩組實驗，對傳統的電磁感應方式和改進的諧振方式的傳輸距離和傳輸效率進行對比。本實驗裝置主要由4個直徑都為 30cm 的線圈(L1、L2、L3、L4）組成，如圖 3 所示。L4線圈接有LED燈以反映無線能量傳輸的效果。

圖3 無線能量傳輸系統實驗裝置Fig.3 Test device of wireless power transmission system

諧振線圈L2、L3分別串聯有集總參數電容 C2、C3，4個線圈的參數如表1所示。線圈 L4串接有100Ω的電阻。實驗中采用信號發生器作為驅動源來產生正弦波信號以驅動L1線圈，經測試諧振線圈對 L2、L3諧振頻率為1.83MHz。

表1 實驗所有線圈參數表Tab.1 Parameter of all coils

由上文的分析可知，在相同距離的情況下，改進的諧振式無線能量傳輸比電磁感應方式具有更高的效率，但是諧振是高效率的前提。實驗一通過固定傳輸距離，改變頻率的方式來分析頻率的改變對高Q值諧振式方式和電磁感應方式的傳輸效率所帶來的影響。固定驅動線圈L1和L4之間的距離為5cm，改變信號源的頻率，分別測量諧振方式和電磁感應方式在不同頻率時接收端電壓的峰峰值。圖4為實驗測量結果的曲線圖。

圖4 電磁感應方式與諧振式的接收端電壓值與頻率的關系Fig.4 Relationship between received voltage and frequency for electromagnetic induction and resonance

可以看出改進的高Q值的諧振式方式比電磁感應方式具有更高的傳輸效率，從實驗數據計算出約為電磁感應方式的4倍;改進方式在諧振頻率附近接收端電壓下降快，而電磁感應方式在所測量的頻率范圍內衰減都較緩慢，說明諧振方式比電磁感應方式對頻率的變化更敏感。

對于無線能量傳輸而言，距離增大都會導致傳輸效率的衰減。本文設置了實驗二來分析距離對能量傳輸方式的影響，為了分析增加一對諧振線圈的影響，增加了一組普通諧振方式的實驗。驅動源的峰峰值 VPP=8V，固定驅動源的頻率 f=1.83MHz。改變接收線圈的距離來測量三種情況下接收線圈的電壓峰峰值，測量結果如圖5所示。

圖5 三種方式接收端電壓與距離的關系圖Fig.5 Relationship between received voltage and distance for three ways

從圖5中可以看出，隨著距離的增加改進方式衰減的速度明顯變緩，能量傳輸效率相同時傳輸的距離最遠。根據實驗二測得的結果，因 P1=/R，P2=/R，P1為驅動源直接加到負載情況的功率，P2為實際接收端的功率，則 P2/P1=/，通過計算得出了三種方式在不同距離時的能量傳輸的功率的比值，見表2。

表2 三種方式不同距離的能量傳輸功率的比值Tab.2 Efficiency of energy transmission in different distance of three ways

從上面的圖和表中可以看出增加了一對諧振線圈后，能量傳輸效率得到了提高，能量傳輸的距離明顯增大。與普通的電磁感應方式相比，在相同的距離，效率有了明顯的改善，而且隨著距離的增加，改進方式效率衰減的最慢，能實現更遠的無線能量傳輸，證明了理論分析的正確性。

6 結論

本文針對傳統的經皮供電系統中所采用的感應式無線供電方式的不足之處，采用一種改進的磁耦合諧振式無線能量傳輸方式，在電源和負載線圈之間加入一對不外接并聯負載或者電源的諧振耦合線圈。最后通過實驗證明了這種改進方法能獲得一個更遠，更高Q值，更高效率的無線能量傳輸。

References）:

［1］馬官營，顏國正 (Ma Guanying，Yan Guozheng）.基于電磁感應的消化道內微系統無線能量傳輸問題研究(Research on wireless power transmission for gastrointestinal microsystems based on inductive coupling）［J］.生物醫學工程學雜志 (Journal of Biomedical Engineering），2008，25(1）:61-64.

［2］Kopparthi S，Ajmera P K.Power delivery for remotely located microsystems［A］.IEEE Region 5 Conference:Annual Technical and Leadership Workshop［C］.2004.31-32.

［3］李長生，張合，張祥金 (Li Changsheng，Zhang He，Zhang Xiangjin）.考慮彈體中渦流影響的引信感應裝定能量和信息傳輸通道模型 (Circuit model of power and information transmission channel with eddy current influence in fuze induction setting system）［J］.探測與控制學報 (Journal of Detection＆Control），2009，31(6）:5-10.

［4］馬少杰，張合，李長生 (Ma Shaojie，Zhang He，Li Changsheng）.小口徑火炮引信彈鏈電磁感應裝定仿真分析(Simulation and analysis of fuze link-belt electromagnetic induction setting in small caliber artillery）［J］.兵工學報 (Acta Armamentarii），2009，30(4）:419-424.

［5］Karalis A，Joannopoulos J D，Marin Soljacic.Wireless nonradiative energy transfer［A］.The AIP Industrial Physics Forum［C］.2006.

［6］Karalis A，Joannopoulos J D，Soljacic M.Efficient wireless nonradiative mid-range mnergy transfer［J］.Annals of Physics，2008，(323）:34-48.

［7］Haus H A，Huang W.Coupled-mode theory［J］.Proceedings of the IEEE，1991，79(10）:1505-1508.

［8］陳曉華，李子競 (Chen Xiaohua，Li Zijing）.線圈固有品質因數與LC回路空載品質因數的關系 (The relation between the unloaded Q factor of LC resonant circuit and the intrinsic Q factor of inductor coil）［J］.電力學報(Journal of Electric Power），2007，22(2）:188-191.

Applied research on a high-Q resonant wireless power transmission technology

TANG Wei，YANG Rui-xia，GUO Zhi-tao，GU Jun-hua
(Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

An improved resonant energy transfer method based on high Q value was proposed to solve the problem of short wireless power transmission distance and low efficiency in the loose coupling of electromagnetic induction mode of percutaneous wireless power supply system.First，the theoretical model of the resonant energy transfer and the role of Q in energy transfer efficiency were analyzed.Second，in order to reduce the influence of source resistance and load，the basic circuit of percutaneous induction was improved by adding a pair of resonance coil between load coil and power coil.Finally，an experimental test device was set up to build comparative experiment，in which system Q value is increased by adding the resonant coil，and energy transfer efficiency was improved by four times and the transmission distance has also been significantly improved.Therefore，it proves the effectiveness of the method.

high Q-value;percutaneous wireless power supply;magnetic coupling;resonance

TM 133;R318.1

A

1003-3076(2012）04-0075-04

2011-08-10

天津市自然科學基金重點項目(11JCZDJC1570）

湯 偉 (1986-），男，湖南籍，碩士研究生，從事無線供電研究;

楊瑞霞 (1975-），男，湖南籍，教授，從事電子材料、電子器件、集成電路設計制備和特性的研究。