磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)改進(jìn)

劉曉文，王　習(xí),，韓楠楠,，趙　端，丁恩杰,

(中國礦業(yè)大學(xué) a.信息與電氣工程學(xué)院；b.物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008)

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磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)改進(jìn)

劉曉文a，王習(xí)a,b，韓楠楠a,b，趙端b，丁恩杰a,b

(中國礦業(yè)大學(xué) a.信息與電氣工程學(xué)院；b.物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008)

在三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)。根據(jù)電路互感耦合理論，推導(dǎo)出改進(jìn)三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的數(shù)學(xué)理論表達(dá)式，闡述了耦合因數(shù)對傳輸功率與傳輸效率的影響。應(yīng)用OrCAD與MATLAB軟件對傳輸系統(tǒng)各個影響因素進(jìn)行仿真分析，設(shè)計并制作了試驗平臺。仿真與試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)存在最佳功率傳輸和最佳效率傳輸，并提高了系統(tǒng)整體的傳輸距離。

磁耦合諧振;無線電能傳輸;耦合因數(shù);負(fù)載

0　引言

無線電能傳輸系統(tǒng)是一種借助于空間電場、磁場和微波等軟介質(zhì)，將電能由電源發(fā)射端傳輸至用電設(shè)備的供電模式。根據(jù)電能傳輸原理，無線電能傳輸方式分為電磁感應(yīng)式、微波輻射式和磁耦合諧振式3類。其中，磁耦合諧振無線電能傳輸因其傳輸功率高、傳輸距離大、輻射小、非磁性物體對其影響小以及對人體危害小等優(yōu)勢，在油田礦井、電動汽車和醫(yī)療器件等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景[1]。

自2007年美國麻省理工學(xué)院提出磁耦合諧振式無線電能傳輸[2]以來，國內(nèi)外針對磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)难芯恐饕校簽闇p小電感阻抗而引進(jìn)了補(bǔ)償電路[3]，在此基礎(chǔ)上引進(jìn)中繼線圈并提出三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)來增加傳輸距離[4-5]；為一步提升各個線圈的品質(zhì)因數(shù)Q而提出了加強(qiáng)型“鍍磁導(dǎo)線”[6]。目前，針對優(yōu)化系統(tǒng)高頻激勵來提升系統(tǒng)效率有兩種方式：一種是采用效率更高的E類放大器作為高頻激勵[7-8]，來提高系統(tǒng)的整體效率，在此基礎(chǔ)上提出雙路E類逆變器功率合成作為高頻激勵，以進(jìn)一步提升效率、減少磁元件損耗和增加諧振參數(shù)容差能力[9]；另一種是采用全橋逆變方式來進(jìn)行系統(tǒng)的高頻激勵[10-12]。

本文采用放大器的方式作為系統(tǒng)的高頻激勵部分，針對三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)，根據(jù)亥姆霍茲(Helmholtz)線圈改進(jìn)系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)的有效傳輸距離和傳輸效率，并提高一些具有特殊意義的傳輸距離上的傳輸效率。系統(tǒng)發(fā)射端由兩個激勵線圈串聯(lián)構(gòu)成且兩個激勵線圈分別位于負(fù)載線圈的兩側(cè)，同時兩個激勵線圈各加一個發(fā)射線圈。其接收端是由兩個電路參數(shù)完全相同的回路組成，兩回路負(fù)載接收的電能之和即為系統(tǒng)接收端接收的電能。通過理論仿真分析系統(tǒng)傳輸功率、傳輸效率和線圈間耦合因數(shù)k之間的關(guān)系，對比分析了三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率。在試驗室搭建無線電能傳輸平臺，通過試驗對兩系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，來驗證改進(jìn)系統(tǒng)提高有效傳輸距離和傳輸效率的可行性。

1　系統(tǒng)建模與理論分析

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與等效電路圖

針對現(xiàn)有的三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，對發(fā)射端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖1。信號發(fā)射器輸出系統(tǒng)所需頻率信號，采用直流恒壓源為功率放大器提供能量，將信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號放大到所需的功率。發(fā)射端由兩個參數(shù)相同的激勵線圈和兩個參數(shù)相同的發(fā)射線圈構(gòu)成。接收端由兩個負(fù)載線圈和負(fù)載構(gòu)成，可進(jìn)行電能的無線接收。

圖1　改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

各線圈自感電抗對系統(tǒng)影響很大，系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)電容的方式來抵消自感的影響。在改進(jìn)三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上，得到改進(jìn)三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路圖，如圖2所示。圖2中：US為輸入電壓；L1和L2為激勵線圈；L3和L4為發(fā)射線圈；L5和L6為負(fù)載線圈；C1、C2、C3、C4和C5為各回路補(bǔ)償電容；RS為電源等效內(nèi)阻；RL1和RL2為負(fù)載；R1和R2為線圈的等效歐姆損耗電阻。磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)最佳諧振頻率在50 MHz以下，此時輻射電阻遠(yuǎn)小于歐姆損耗電阻，因此忽略線圈輻射電阻的影響，本系統(tǒng)諧振頻率選擇3 MHz。

圖2　系統(tǒng)等效電路圖

1.2系統(tǒng)傳輸功率與傳輸效率理論計算

本系統(tǒng)保證兩激勵線圈與兩發(fā)射線圈相對位置基本相同，兩發(fā)射線圈與負(fù)載線圈的相對位置也基本相同，同時忽略線圈之間的交叉耦合。

根據(jù)圖2推導(dǎo)系統(tǒng)傳輸功率與傳輸效率理論表達(dá)式，設(shè)激勵線圈回路電流為I1，發(fā)射線圈回路電流為I2、I3，負(fù)載線圈回路電流為I4、I5；各個回路阻抗為Z1、Z2、Z3、Z4和Z5；L1與L3、L2與L4之間的互感均為M1，對應(yīng)耦合因數(shù)k1，L3與L5、L4與L6之間互感均為M2，對應(yīng)耦合因數(shù)k2；輸入角頻率為ω；系統(tǒng)傳輸功率為PL；傳輸效率為nL。根據(jù)基爾霍夫電壓定律(Kirchhoff voltage laws，KVL)對回路列出KVL方程，可以得到如下的矩陣方程式：

(1)

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時，各個回路均會呈現(xiàn)純電阻特性，化簡式(1)可得：

(2)

則系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率分別為：

(3)

(4)

2　系統(tǒng)仿真分析

仿真分析主要研究改進(jìn)系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率與線圈之間耦合因數(shù)的關(guān)系，以及對比分析改進(jìn)系統(tǒng)與三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率。其中，主要研究耦合因數(shù)k2對系統(tǒng)的影響，取耦合因數(shù)k1=0.6，利用OrCAD進(jìn)行仿真。仿真電路如圖2所示。仿真參數(shù)如下：L1=L2=35.8 μH；L3=L4=L5=L6=71.5 μH；C1=C2=C3=C4=C5=39.4 pF；RS=50 Ω;R1=R2=1 Ω;US=100 V。

改進(jìn)系統(tǒng)與三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的輸入頻率均設(shè)置為f=3 MHz，固定負(fù)載RL1=RL2=50 Ω，利用OrCAD軟件，分別對兩系統(tǒng)等效電路圖中傳輸功率、傳輸效率與耦合因數(shù)k2之間的關(guān)系進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　兩系統(tǒng)傳輸功率仿真對比圖

圖4　兩系統(tǒng)傳輸效率仿真對比圖

從圖3和圖4中可看出：兩系統(tǒng)傳輸功率與傳輸效率均隨耦合因數(shù)的增大先增大到最大值然后減小，存在最佳功率傳輸耦合因數(shù)與最佳效率傳輸耦合因數(shù)。當(dāng)耦合因數(shù)較小時，改進(jìn)系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率要大于三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率。當(dāng)耦合因數(shù)較大時，改進(jìn)系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率要小于三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率。改進(jìn)系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率曲線均不同程度地向耦合因數(shù)較小的一側(cè)移動，相當(dāng)于改進(jìn)系統(tǒng)中最佳功率傳輸耦合因數(shù)與最佳效率傳輸耦合因數(shù)均減小，而耦合因數(shù)與傳輸距離的三次方呈反比，對應(yīng)的最佳傳輸距離變大。通過仿真分析可知：改進(jìn)系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的最佳傳輸距離。

3　系統(tǒng)試驗分析

根據(jù)圖1所示的改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，搭建系統(tǒng)試驗平臺。由于手工纏繞線圈存在誤差[1]，為使各回路固有諧振頻率均為3 MHz，用串聯(lián)可變電容調(diào)節(jié)電容值的方法來實(shí)現(xiàn)。采用Wayne Kerr Electronics精密阻抗分析儀6500B中的掃頻功能進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以顯示電感電容串聯(lián)之后回路的阻抗特性，當(dāng)阻抗角為0時，回路諧振。

線圈采用銅漆包線，線圈設(shè)計參數(shù)[1,13]：銅漆包線線徑為2 mm，線圈均為8匝，激勵線圈半徑為 8 cm，其他線圈半徑為13 cm。試驗中各線圈電感值采用Wayne Kerr Electronics精密阻抗分析儀6500B進(jìn)行測量。電感電容值的大小與仿真值基本一致。本試驗主要研究傳輸功率和傳輸效率隨傳輸距離的變化，所以試驗中改進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載固定RL1=RL2=50 Ω，三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載RL=100 Ω，兩系統(tǒng)耦合因數(shù)k1=0.6,兩系統(tǒng)輸入頻率均設(shè)置為f=3 MHz。

3.1改進(jìn)系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系

實(shí)際應(yīng)用中考慮的是系統(tǒng)傳輸功率、傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系，而不是線圈之間的耦合因數(shù)。線圈之間的互感與傳輸距離可通過試驗測量得到，再通過計算獲得耦合因數(shù)k2與傳輸距離的關(guān)系，如表1所示。

表1　耦合因數(shù)k2與傳輸距離的關(guān)系

試驗中測量改進(jìn)系統(tǒng)在各傳輸距離上負(fù)載兩端的電壓、系統(tǒng)輸入電壓和流過激勵線圈的電流，通過計算得到負(fù)載上的傳輸功率、電源輸出功率和傳輸效率。分析所得數(shù)據(jù)繪制傳輸功率、傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系曲線，如圖5和圖6所示。由圖5可以看出：試驗值與仿真值變化趨勢基本一致，當(dāng)距離較小時試驗值略微大于仿真值，這主要是因距離較小時各線圈之間的交叉耦合往往不能忽略所造成的。本試驗傳輸距離從10 cm開始，從表1中可看出：此時的耦合因數(shù)約為0.24，而耦合因數(shù)大于0.24的情況本試驗沒有涉及，所以圖5中傳輸功率會隨傳輸距離的增大單調(diào)減小。圖6中傳輸效率隨傳輸距離的增大先增大后減小，最大傳輸效率對應(yīng)的傳輸距離為20 cm左右，此時的傳輸效率約為93%，對應(yīng)的傳輸功率為10 W左右。

圖5　改進(jìn)系統(tǒng)傳輸功率與傳輸距離的關(guān)系

圖6　改進(jìn)系統(tǒng)傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系

3.2改進(jìn)系統(tǒng)與三線圈磁耦合諧振系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率

研究兩系統(tǒng)傳輸功率、傳輸效率隨傳輸距離的變化關(guān)系，測量不同傳輸距離負(fù)載上的電壓、系統(tǒng)輸入電壓和流過激勵線圈的電流，通過計算得到兩系統(tǒng)負(fù)載上的傳輸功率和傳輸效率，如圖7和圖8所示。

圖7　兩系統(tǒng)傳輸功率試驗比較

圖8　兩系統(tǒng)傳輸效率試驗比較

由圖7可知：兩系統(tǒng)的最佳功率傳輸距離均在10 cm，但改進(jìn)系統(tǒng)最佳傳輸功率向傳輸距離更大的一側(cè)移動。由圖8可知：改進(jìn)系統(tǒng)最佳效率傳輸距離為20 cm，而三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)最佳效率傳輸距離為10 cm，所以改進(jìn)系統(tǒng)最佳傳輸效率也向傳輸距離更大的一側(cè)移動，這與上文相關(guān)仿真結(jié)果一致。由圖7和圖8可知：改進(jìn)系統(tǒng)的傳輸功率略大于三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率，且傳輸效率從83%增長到了93%，改進(jìn)系統(tǒng)在相對較小的尺寸下，提高了系統(tǒng)傳輸距離和傳輸效率。

4　結(jié)論

(1)在現(xiàn)有三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了系統(tǒng)線圈的結(jié)構(gòu)。通過對改進(jìn)系統(tǒng)的影響因素，如傳輸距離和耦合因數(shù)等進(jìn)行了理論仿真分析，并結(jié)合試驗對影響因素進(jìn)行了分析，得出此系統(tǒng)可以進(jìn)行無線電能傳輸。

(2)通過試驗比較了改進(jìn)系統(tǒng)和三線圈磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸距離、傳輸功率和傳輸效率，表明改進(jìn)系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的有效傳輸距離，并且能夠提高傳輸距離在20 cm之內(nèi)的傳輸功率和傳輸效率。

[1]丁恩杰,薛慧,孫志峰,等.基于磁耦合諧振的無線充電系統(tǒng)建模與分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,43(5):928-932.

[2]KURS A,KARALIS A,MOFFATT R,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science,2007,317(6):83-86.

[3]BENJAMIN L C,JAMES F H,DANIEL D S,et al.Magnetic resonance coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers[J].IEEE transactions on power electronics,2009,24(7):1819-1825.

[4]羅斌,生茂棠,張鳴,等.磁諧振耦合式單中繼線圈無線功率接力傳輸系統(tǒng)的建模與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(21):170-176.

[5]劉凌云,袁偉,張治藍(lán),等.磁耦合諧振式無線電能傳輸距離特性[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,36(2):43-46.

[6]梁凱彬,王軍華.一種用于制作高Q值共振磁耦合無線傳能線圈的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2015,48(1):97-101.

[7]李均鋒,廖承林,王麗芳.基于E類放大器的中距離無線能量傳輸系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(9):7-11.

[8]KESKIN N,LIU H P.Complementary class-E amplifier for wireless power transfer[J].Electronic components & technology conference,2015,7(15):2235-2240.

[9]黃曉生,陳為,陳慶彬.用于WPT的雙路E類逆變器功率合成拓?fù)浼捌潆姼旭詈霞蒣J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015,35(21):5577-5584.

[10]朱慶偉,陳德清,王麗芳,等.電動汽車無線充電系統(tǒng)磁場仿真與屏蔽技術(shù)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(增刊1):143-147.

[11]蔣燕,周洪,胡文山,等.基于電容陣列的磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)諧[J].電力自動化設(shè)備,2015,35(11):129-136.

[12]任曉峰.電動汽車無線充電系統(tǒng)的研制及性能優(yōu)化[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014:31-34.

[13]呂超.磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)的線圈優(yōu)化設(shè)計[D].北京:北京交通大學(xué),2015:31-44.

國家“973”計劃基金項目(2014CB046305);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2014CB046300)

劉曉文(1964-),女,江蘇徐州人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為無線電能傳輸、電路與系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息獲取與信息融合.

2016-07-11

1672-6871(2017)01-0039-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.008

TD611

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