金屬障礙物對磁耦合諧振無線電能傳輸系統的影響

陳 琛 黃學良 孫文慧 譚林林 強 浩

（東南大學電氣工程學院 南京 210096）

1 引言

目前，無線電能傳輸技術是國內外研究的熱點，源源不斷的科學家、工程師投身到該領域的研究中，越來越多的新方法、新理念層出不窮。短短幾年的發展，該技術已經被廣泛應用于電動汽車、便攜式移動設備、醫療器械、水下潛艇等不同領域[1-3]。國內外的研究大多集中于能量在自由空間中傳播的情況[4-8]。然而隨著無線電能傳輸技術的推廣，其應用環境也日趨復雜。在系統周圍，可能會在不同位置出現不同材質的障礙物。障礙物的出現將對系統的工作狀態產生很大的影響，甚至會導致系統失諧而不能正常工作。

一些學者已經對某些狀況下的系統干擾問題進行了研究[9,10]，對設置在系統周圍固定位置的金屬干擾體進行了分析。本文在此基礎上，通過有限元分析軟件 COMSOL對鐵質障礙物處于不同位置時系統周圍磁場進行了仿真，分析了對系統能量傳輸的影響。最后通過實驗驗證表明，金屬障礙物的引入會導致系統工作頻率下降，輸出功率降低。另外，實驗中通過調節可調電容，改變系統相關參數，使系統恢復到原來的諧振狀態，使輸出功率最大，這一結論將對磁耦合諧振無線電能傳輸技術應用于復雜環境的傳輸系統具有很好的指導意義。

2 磁耦合諧振無線電能傳輸系統模型

磁耦合諧振無線電能傳輸系統主要借助于交變磁場將能量從發射線圈傳遞到接收線圈，實現對負載的供電。圖1是一個典型的磁耦合諧振無線電能傳輸結構，它由獨立的兩個部分組成，分別連接到電源和負載，圖2為其等效電路。

圖2 無線電能傳輸系統等效電路Fig.2 equivalent circuit of wireless power transmission system

圖1中，傳輸系統由發射器、接收器組成，除此之外，一個完整的感應耦合無線電能傳輸系統還必須有發射功率源和接收功率設備。高頻振蕩電路和高頻功率放大電路用于產生高頻功率源。圖2中，U為高頻逆變源；ZS為電源內阻；L1為發射線圈的等效電感；L2為接收線圈的等效電感；R1為發射線圈在高頻下的等效電阻；R2為接收線圈在高頻下的等效電阻；M為兩線圈之間的互感；C1為發射線圈在高頻下的寄生電容；C2為外接可調電容；ZL為負載電阻。

根據等效電路可以列出系統的KVL方程為

負載功率，即系統輸出功率為

當系統發生諧振時，系統具有最大的傳輸功率，即滿足

若系統附近遇到鐵磁性材料的障礙物，系統周圍磁場將發生變化，從而導致線圈之間的互感等參數變化、系統失諧以及輸出功率降低。基于此，本文通過仿真和實驗研究分析了障礙物在不同位置時對系統產生的影響。

3 磁場仿真

本文通過電磁場有限元分析軟件 COMSOL來進行電磁場的仿真。首先對實際系統進行電流測量，已知發射線圈和接收線圈電流，設置電流值和相應的線圈幾何參數，根據實驗所用的線圈參數在軟件中建立螺旋線模型，設置20costω電流，頻率為2.2MHz，周圍3m半徑的空氣作為仿真區域。鐵質金屬障礙物的相對磁導率為4 000，相對介電常數為1，電導率為1.12×107S/m，密度為7 870kg/m3，仿真結果如圖3所示。

圖3 障礙物對系統磁場的影響Fig.3 Obstacles affection on magnetic field of the system

由圖3可以看到：障礙物的設置使周圍磁場發生了變化，并且在系統不同位置對系統磁場影響不同。

將金屬障礙物距離兩線圈連線中點的距離設置為掃描參數，可得到線圈互感隨障礙物位置不同的變化曲線，距離為負表示距離接收線圈較近，反之表示距離發射線圈較近。仿真結果如圖4所示。

由仿真結果可知，當障礙物位于兩線圈之間時，障礙物距離任一線圈越近，對互感的影響越大；當障礙物位于兩線圈外時，障礙物距離線圈越近，對互感影響越大。而障礙物在發射側對系統的影響大于接收側。由上述分析可知，障礙物的引入對系統互感產生很大的影響，進而導致系統的輸出功率和效率發生變化。

圖4 障礙物對線圈之間互感的影響Fig.4 Obstacles affection on the mutual inductance between coils

4 實驗驗證

本實驗以鐵質金屬板作為障礙物，分別置于兩個線圈之間和兩個線圈外側進行實驗。實驗裝置如圖5所示，將發射線圈和接收線圈固定在導軌上，保持設定距離不變。接收線圈與碘鎢燈負載相連接，通過調節接收側可調電容改變系統參數，保持系統諧振。其主要參數見表1。

圖5 實驗裝置Fig.5 The experimental device

表1 系統參數配置Tab.1 Sysrem parameters

4.1 障礙物對系統工作頻率的影響

由于障礙物的設置，將導致系統輸出功率發生變化，根據式（2），在系統其他參數不變的條件下，系統頻率降低將會導致輸出功率的減小，實驗結果見表 2。實驗中通過可調電容的調節，使系統恢復到原有的工作頻率，保證系統具有最大的輸出功率。

表2 障礙物對系統工作頻率的影響Tab.2 Obstacles effects on the working frequency of the system（單位：MHz）

由實驗結果可知，當障礙物在發射端與接收端軸線中點時不影響工作頻率變化。而障礙物在發射側對系統的影響大于接收側。

4.2 障礙物在系統兩側時對輸出功率的影響

4.2.1 障礙物在系統兩側

當鐵板在接收和發射線圈外側時，輸出功率與障礙物的距離關系如圖6所示。

圖6 鐵板在接收和發射線圈外側Fig.6 Iron plate on the outside of receiving and transmitting coil

圖6中橫坐標為障礙物鐵板距離線圈的位置，縱坐標為輸出功率。由實驗數據可知：①在系統兩側設置障礙物后，將對系統的輸出功率產生很大影響，輸出功率將隨障礙物距離線圈的距離減小而降低；②障礙物在發射端一側對系統輸出功率產生的影響要略大于障礙物在接收端一側。

在系統兩側設置障礙物后，同時調節可調電容，將增大系統的輸出功率。實際測量結果見表3。

表3 障礙物在系統兩側時的輸出功率Tab.3 Output power when obstacles on one sides of the system

由實驗數據可知，在系統兩側設置障礙物后雖然影響了系統的輸出功率，但通過調節系統參數，仍然可以將系統的輸出功率維持在無障礙物時系統的輸出功率左右并保證系統最大的傳輸功率。

4.2.2 障礙物在系統之間

當鐵板在發射線圈和接收線圈之間時，輸出功率與障礙物的距離關系如圖7所示。

圖7 鐵板在接收和發射線圈之間Fig.7 Iron plate between receiving and transmitting coil

通過調節可調電容，使系統恢復到輸出功率最大時，實驗結果見表4。

表4 障礙物在系統之間時的輸出功率Tab.4 Output power when obstacles between the system

由實驗數據可知：①當障礙物位于發射和接收線圈軸線中點時，對輸出功率影響最小，隨著障礙物距離中點位置越遠，對系統輸出功率的影響越大；②以障礙物位于發射和接收線圈軸線中點為中心，障礙物對系統輸出功率的影響呈不對稱分布；③通過調節系統參數，將會大幅度提高輸出功率，但略小于無障礙物時的輸出功率。

5 結論

本文通過對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統進行實驗和仿真分析，主要研究了鐵質障礙物的引入對系統工作狀態的影響，無論障礙物在發射端、接收端兩線圈中間或外側，都會降低系統的工作頻率，導致系統輸出功率的變化。障礙物處于不同位置時對系統的影響是不同的，當障礙物在發射端時對系統的影響最大，當障礙物在兩線圈軸線中點時不影響工作頻率變化。最后實驗表明，通過調諧，仍可使系統大致恢復到無障礙物時的狀態，保證系統傳輸功率最大化。

[1]曹玲玲, 陳乾宏, 任小勇, 等. 電動汽車高效率無線充電技術的研究進展[J]. 電工技術學報, 2012,27(8): 1-13.

Cao Lingling, Chen Qianhong, Ren Xiaoyong, et al.Review of the efficient wireless power transmission technique for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(8): 1-13.

[2]Bingnan W, Nishino T, Koon Hoo T. Wireless power transmission efficiency enhancement with metamaterials[C]. IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems, Honolulu, USA,2010: 1-4.

[3]Bhuyan S, Panda S K, Sivanand K, et al. A compact resonace-based wireless energy transfer system for implanted electronic devices[C]. IEEE International Conference on Energy, Automation, and Signal,Bhubaneswar, India, 2011: 1-3.

[4]翟淵, 孫躍, 戴欣, 等. 磁共振模式無線電能傳輸系統建模與分析[J]. 中國電機工程學報, 2012,32(12): 155-160.

Zhai Yuan, Sun Yue, Dai Xin, et al. Modeling and analysis of magnetic resonance wireless power transmission systems[J]. Proceedings of the CSEE,2012, 32(12): 155-160.

[5]黃輝, 黃學良, 譚林林, 等. 基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發射及接收裝置的研究[J]. 電工電能新技術, 2011, 30(1): 32-35.

Huang Hui, Huang Xueliang, Tan Linlin et al.Research on transmitter and receiver of wireless power transmission based on magnetic resonance coupling[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2011, 30(1): 32-35.

[6]黃學良, 吉青晶, 譚林林, 等. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統串并式模型研究[J]. 電工技術學報,2013, 28(3): 171-176.

Huang Xueliang, Ji Qingjing, Tan Linlin, et al. Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(3): 171-176.

[7]Qiang H, Huang X L, Tan L L, et al. Achieving maximum power transfer of inductively coupled wireless power transfer system based on dynamic tuning control[J]. Science China Technological Sciences,2012, 55(7): 1886-1893.

[8]Tan L L, Huang X L, Huang H, et al. Transfer efficiency optimal control of magnetic resonance coupled system of wireless power transfer based on frequency control[J]. Science China Technological Sciences, 2011, 54(6): 1428-1434.

[9]Ogawa K, Oodachi N, Obayashi S, et al. A study of efficiency improvement of wireless power transfer by impedance matching[C]. IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications, Nanjing, China, 2012: 155-157.

[10]Yu X, Sandhu S, Beiker S, et al. Wireless energy transfer with the presence of metallic planes[J]. Applied Physics Letters, 2011, 99(21): 214102-214103.