小功率諧振式無線輸電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

李陽陽，董一帆，盧聞州

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

0 引 言

無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）技術(shù)及其應(yīng)用成為了當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題［1－4］。諧振式無線輸電是目前采用較為廣泛的一種WPT方式［5］，當(dāng)收－發(fā)線圈的電感、補(bǔ)償電容等各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置在合理狀態(tài)時，收、發(fā)回路具有相同諧振頻率，并都工作在諧振狀態(tài)，電能便可以在收－發(fā)線圈之間高效傳遞［6］。

文獻(xiàn)［7］使用Maxwell仿真軟件對電磁能量的傳輸進(jìn)行了仿真，并搭建了串串式小功率諧振式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺，但是傳輸距離較短，線圈距離大于5 cm時，幾乎無法進(jìn)行電能傳輸。文獻(xiàn)［8］使用單管電壓過零開關(guān)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但是使用線圈體積較大，直徑達(dá)到50 cm，所需電壓達(dá)到310 V，而較佳工作距離為5 cm，并且沒有進(jìn)行實(shí)際的效率特性測試。文獻(xiàn)［9］使用 MATLAB分析出了在13．56 MHz下最佳的小功率無線輸電的線圈參數(shù)，但是沒有建立具體的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［10］中講述了諧振狀態(tài)與非諧振狀態(tài)兩種不同狀態(tài)下的能量傳遞，通過對比可以得知只有在諧振狀態(tài)下才能進(jìn)行能量的傳遞，但是沒有對影響電能傳遞的因素進(jìn)行詳細(xì)講述。

當(dāng)前針對小功率諧振式無線輸電系統(tǒng)的理論研究較多，但是相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究，尤其是并并式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究還不夠深入。因此本文對一種結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的并并拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)小功率無線輸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先對系統(tǒng)并并式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，采用互感模型建立等效電路，推導(dǎo)出輸出功率及效率的表達(dá)式，得到其中的影響因子，然后通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這些影響因子對該系統(tǒng)輸出效率的實(shí)際影響效果。

1 并并諧振式無線輸電系統(tǒng)

諧振式無線輸電系統(tǒng)的等效電路模型主要有串串式（SS）、串并式（SP）、并串式（PS）、并并（PP）式這四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文對并并式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析及實(shí)驗(yàn)研究。

并并諧振式無線輸電系統(tǒng)工作過程為：傳統(tǒng)工頻電網(wǎng)中的交流電，經(jīng)過整流濾波，得到穩(wěn)定直流電，再經(jīng)過高頻逆變得到高頻交流電，經(jīng)過發(fā)射線圈與并聯(lián)補(bǔ)償電容的諧振作用，以及與發(fā)射線圈相同的接收線圈與并聯(lián)補(bǔ)償電容的諧振作用，將電能通過高頻交變磁場傳遞到接收線圈，經(jīng)過整流、濾波處理后，便可以給負(fù)載直接進(jìn)行供電。

并并式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效電路模型如圖1所示。圖1中，Us為交流電源；R1、R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻；L1、L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的自感；C1、C2分別為發(fā)射回路和接收回路的諧振電容；M為線圈間的互感；RL為負(fù)載電阻。

使用基爾霍夫電壓定律對等效電路進(jìn)行分析，列出方程如下：

圖1 并并諧振式WPT互感電路模型

在接收回路中，根據(jù)結(jié)點(diǎn)電流法求出：

式中，rS、rD分別表示發(fā)射線圈和接收線圈的半徑；μ0表示真空磁導(dǎo)率值為4π×10－7H／m；ns表示發(fā)射線圈匝數(shù)（匝）；nD表示接收線圈匝數(shù)（匝）；d表示線圈正對相距距離；MAX（rS，rD）表示rS、rD中較大的值。當(dāng)線圈半徑參數(shù)確定，兩線圈的互感與距離成反相關(guān)，距離增大，互感減小。

結(jié)合上述分析，在式（9）、（10）中，當(dāng)線圈參數(shù)確定時（即線圈材質(zhì)、匝數(shù)、半徑確定），輸出功率和效率與諧振頻率、傳輸距離以及負(fù)載有關(guān)。

2 WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

為驗(yàn)證上述WPT理論分析的正確性，本文選取了一個基于并并式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡易的小功率諧振式無線輸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。裝置中收－發(fā)線圈以及其各自補(bǔ)償電容各項(xiàng)參數(shù)均設(shè)置為相同值，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 WPT系統(tǒng)各元件參數(shù)值

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺如圖2所示，圖中為發(fā)射裝置、接收裝置、萬用表、示波器。其工作原理：控制收－發(fā)線圈的參數(shù)（線圈電感值、匝數(shù)、線圈半徑、補(bǔ)償電容）相同，工作條件滿足諧振的建立條件。系統(tǒng)工作時，調(diào)節(jié)基于555時基電路的驅(qū)動電路發(fā)出一定頻率的驅(qū)動信號，以此控制逆變電路進(jìn)行高頻逆變，使發(fā)射線圈產(chǎn)生諧振。在發(fā)射線圈中產(chǎn)生交變電流，建立交變磁場，由于高頻交變磁場的存在，接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)交變電流，經(jīng)過整流濾波后成為穩(wěn)定直流電供給負(fù)載。

圖2 小功率諧振式無線輸電系統(tǒng)裝置

所搭建的小功率無線輸電實(shí)驗(yàn)平臺可以順利地實(shí)現(xiàn)高效的電能傳輸。負(fù)載端串接LED燈或者使用萬用表直觀觀察傳輸效果。進(jìn)行效率特性實(shí)驗(yàn)時，負(fù)載采用純阻性負(fù)載。

圖3是發(fā)射線圈與接收線圈的電壓波形圖，接收回路中與發(fā)射線圈的諧振頻率完全相似，且接收回路的波形類似于正弦波，由于接收線圈能量由發(fā)射線圈建立磁場進(jìn)行傳輸，因此其電壓變化略微滯后于發(fā)射線圈。

2.2 傳輸特性研究

2．2．1 系統(tǒng)傳輸距離對效率影響研究

保持電源電壓為15 V不變。負(fù)載端串接10Ω純阻性負(fù)載進(jìn)行探究。改變線圈正向距離d（cm），測量發(fā)射功率Pt，負(fù)載電壓Uo，輸出功率Po，改變正向距離d（cm），移動方式如圖4所示，得出正向傳輸距離與傳輸效率η的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖3 發(fā)射線圈和接收線圈電壓波形

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電源電壓恒定，發(fā)射回路發(fā)射功率基本不變。當(dāng)正向傳輸距離d增大時，輸出電壓下降，功率減小。可以得出結(jié)論：諧振式無線輸電系統(tǒng)受距離影響，距離越大，輸出功率降低，效率降低。

圖4 正向傳輸距離效率特性測試示意圖

表2 傳輸距離與傳輸效率關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．2．2 線圈水平偏移對效率影響研究

為研究諧振式無線輸電系統(tǒng)在線圈沒有正對時的特性，對系統(tǒng)進(jìn)行水平偏移實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)方法為將收－發(fā)線圈在水平桌面上相互正對，正向相距8 cm（即d＝8 cm）放置，然后沿著線圈所在平面水平移動接收線圈，移動方式如圖5所示。測量發(fā)射功率Pt，負(fù)載電壓Uo，得到輸出效率η與水平偏移x（cm）的關(guān)系，如表3所示。

圖5 水平偏移距離效率特性測試示意圖

表3 水平偏移與傳輸效率關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知當(dāng)本實(shí)驗(yàn)平臺的諧振式小功率無線輸電系統(tǒng)的接收線圈橫向移動時，當(dāng)移動距離為0cm，即收—發(fā)線圈正對時，傳輸效率最大，隨著水平移動距離增大，效率降低。當(dāng)移動距離在12 cm以下時，效率降低幅度不大，但是超過12 cm之后，效率下降很快，直到兩線圈圓形平面沒有任何相對區(qū)域時，傳輸效率接近0。由此可見諧振式無線輸電系統(tǒng)在收－發(fā)線圈正對時效率最高；但是對收－發(fā)線圈的空間位置要求不高，一定范圍內(nèi)的線圈偏移對效率影響不大。

2．2．3 驅(qū)動頻率對傳輸效率影響研究

為探究驅(qū)動頻率對諧振式無線輸電系統(tǒng)的影響，將收－發(fā)線圈正對放置。改變發(fā)射裝置的工作頻率f（kHz），測量其輸出電壓Uo以及輸出功率Po，得出驅(qū)動頻率對效率的影響。測量結(jié)果如表4所示。

表4 驅(qū)動頻率與傳輸效率關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可以得出結(jié)論，對于本并并式諧振式小功率無線輸電系統(tǒng)，收－發(fā)線圈相距8 cm時，63．17 kHz的驅(qū)動頻率使得系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。當(dāng)裝置參數(shù)取值不變并且傳輸距離不變時，為使得裝置獲得最佳工作狀態(tài)，頻率并不能無限增大，也不能無限減小。存在一個最適合的驅(qū)動頻率使得諧振式無線輸電系統(tǒng)工作于最佳傳輸狀態(tài)以獲得最高效率。

3 結(jié) 論

本文通過對一個并并式諧振式無線輸電系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)探究，得出了其效率的部分影響因子。正向傳輸距離越大，傳輸效率降低；當(dāng)線圈正對時，傳輸效率最大；當(dāng)線圈水平偏移距離小于半徑時，對系統(tǒng)效率影響較小；并且對于器件參數(shù)不變的系統(tǒng)，存在一個最佳頻率使其工作在效率最大的狀態(tài)。

本文所涉及的并并式諧振式無線輸電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究，沒有對驅(qū)動頻率進(jìn)行實(shí)時控制，在距離變化時，可能會出現(xiàn)失諧現(xiàn)象，因此可以加入頻率跟蹤技術(shù)進(jìn)行控制，進(jìn)一步提高傳輸效率。