無線電能傳輸效率的影響因素研究

張文勇,馬彥兵,歐建開,吳常貴

(貴州民族大學 工程實訓中心,貴州 貴陽 550025)

1 研究問題

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)是實現電能以非電氣接觸方式傳輸到用電設備的技術。WPT通過原、副邊設備的非接觸能量傳輸,克服了有線輸電過程中線路磨損、漏電、火花放電等問題。WPT能夠增強設備對復雜環境的適應能力,具有安全、可靠、靈活、便捷等特點。該技術能夠穿透一般的非金屬障礙物,在電動汽車、水下設備、醫療植入設備、工業機器人和消費電子產品等領域應用廣泛[1-3]。

目前,WPT技術還存在以下問題:(1)在傳輸效率和功率方面,由于電磁波在傳輸過程中存在散射、反射和吸收等現象使得接收端能量損失嚴重,從而導致傳輸效率和功率低下;(2)在傳輸距離方面,由于電磁波傳輸過程中容易受到各種干擾和衰減,使得到達接收端的電磁波衰減較大,傳輸距離受到很大限制[4-5]。以上問題極大影響了該技術的應用和推廣。為此,本文從磁場耦合式技術的電能傳輸效率和輸出功率兩方面開展研究,為設計高效可靠的無線電能傳輸系統提供技術支撐。

2 解決方法及分析

為了研究無線電能傳輸過程中各影響因素對傳輸效率、功率的影響,文章使用H橋作為核心電路,以此設計無線電路傳輸系統,利用該系統對各影響因素進行實驗分析。

2.1 電路設計

為探尋磁場耦合式WPT技術中電能傳輸效率、輸出功率的主要影響因素,文章設計了如圖1所示的電路結構,線圈左側為發射端,右側為接收端。發射端方面:Uin為交流電壓輸入;L1,C2,D1-D4和C2為整流濾波電路,其功能是將低頻交流電轉換為直流電;S1-S4為逆變H橋,用于將直流電逆變為高頻交流電;C4和L2組成LC串聯電路,當H橋逆變頻率達到LC的諧振頻率時,線圈傳輸效率達到最大。接收端方面:C5和L3組成接收側的LC諧振電路,當接收的電磁波頻率到達LC諧振頻率時接收功率最大;C6、L2、D5-D8和C7為高頻濾波整流電路,其作用是將接收到的電磁波轉換為直流電供給負載R。

圖1 電路結構

控制電路部分主要由MCU、H橋驅動電路、電壓電流檢查模塊和LCD顯示組成。MCU是控制電路部分的核心,其功能是根據實時電壓電流數據產生占空比可變的H橋驅動信號;電壓電流檢測模塊主要負責實時檢測電壓電流值,并將檢測數據傳送MCU處理;H橋驅動模塊主要用于增強MCU產生的PWM信號,確保該信號能夠有效驅動H橋。

2.2 電路原理分析

磁場耦合式無線電能傳輸的電路拓撲如圖1中a所示。該拓撲主要分為發射端和接收端。在發射端中,Ui為輸入電壓,Ii為輸入電流,Ri、Ci和Li分別為發射端的內阻、補償電容和諧振電感;在接收端中,Io為輸出電流,Ro、Co和Lo分別為接收端的內阻、補償電容和諧振電感,R為負載電阻。根據電路相關定理,原邊電路模型為[6-7]:

(1)

次邊電路模型為:

(2)

其中,M為初級線圈和次級線圈之間的互感系數,ω為角頻率。

當系統到達諧振狀態時,發送端將最大功能傳輸給接收端,同時接收端為最大功率輸出,此時發射端和接收端的阻抗為純阻性,聯立(1)和(2)式可求解出Ii和接收端電流Io,進一步求出發送端輸出功率、接收端輸出功率和效率分別為:

(3)

(4)

(5)

公式(3)—(5)中輸出功率和傳輸效率除了與Ui、R、Ri、Ro、w有關外,還與互感系數M有關。根據磁耦合理論,互感系數M與耦合系數k之間的關系為:

(6)

公式(6)中,Li,Lo為兩線圈的電感值。根據諾以曼公式,對電感線圈之間的互感計算,即

(7)

公式(7)中,l1,l2分別為兩線圈周長;dl2,dl1為兩線圈環路上任意兩線元,θ是兩線元所在位置以極坐標描述時的夾角,同時也是兩線元矢量的夾角。

根據以上分析,輸入電壓、負載、諧振頻率、線圈間距和圓心差等是影響無線電能傳輸效率和輸出功率的重要因素。綜上,本文采用H橋電路作為核心結構來設計無線電能傳輸系統,通過逐一修改參數的方法研究各因素對無線電能傳輸效率和輸出功率的影響情況,以此獲取優化系統的重要參數。

3 實驗結果及分析

本文基于圖1的電路結構設計無線電能傳輸系統,結合電路分析結果,對線圈距離、圓心差、諧振頻率、負載和輸入電壓進行實驗。實驗結果如圖2所示。

圖2 各因素對輸出功率及效率的影響

3.1 線圈距離影響分析

為了驗證電路結構中發射線圈和接收線圈之間的距離對系統傳輸效率和輸出功率的影響,本文在實驗過程中固定輸入頻率f=60 kHz、電源電壓U=3.000 V、圓心差Δ=0.000 mm,同時依次改變發射線圈和接收線圈的間距d=0.00,0.20,…,2.50,3.00 mm。實驗結果顯示,當線圈距離從0 mm增加到1 mm時,發射端輸出功率變化較小,輸出效率穩定,接收端的輸出電壓和輸出電流變化不大;當線圈從1 mm逐漸增加到1.5 mm時,接收端的輸出電壓和輸出電流急劇下降,導致輸出功率迅速降低。此時,傳輸效率也急速下降到幾乎為0。

出現以上情況的主要原因是發射線圈產生的電磁場以線圈為中心向外逐漸降低,當線圈距離在0～1 mm范圍時,接收線圈處于飽和電磁場范圍內,此時接收線圈產生的感應電流幾乎相等;當線圈距離大于1 mm時,發射線圈周圍電磁場減弱并低于飽和電磁場范圍,使得接收線圈感應電流逐漸降低;當距離達到2 mm以后,發射線圈周圍電磁場進一步減弱,接收線圈感應電流無法使元器件正常工作,此時輸出功率為0,效率傳輸0%。由此可知,當線圈距離在一定范圍內變化時,系統傳輸效率變化不大,隨著距離增加系統傳輸效率會急劇下降甚至為0。

3.2 圓心差影響分析

為了驗證電路結構中發射線圈和接收線圈之間的圓心差對系統傳輸效率和輸出功率的影響,本文在實驗過程中固定輸入頻率f=60 kHz、電源電壓U=3.000 V,同時依次改變發射線圈和接收線圈的圓心差Δ=1,2,...,10mm。實驗結果顯示,當圓心差從0變化到4 mm時,由于發射端輸出功率變化較小,從而使得接收端輸出電壓和電流變化不大,輸出效率穩定;當圓心差在4～7 mm時,接收端輸出電壓和輸出電流急劇下降,導致輸出功率迅速降低,此時傳輸效率也急速下降到幾乎為0;當圓心差大于7 mm時,接收端輸出功率幾乎為0,輸出效率為0%。以上實驗表明,當發射和接收線圈正對齊且在一定誤差范圍內時,系統有最大功率和效率輸出,隨著圓心差越來越大,輸出功率和效率會逐漸下降,圓心差增大到一定值時,輸出功率和效率為0。

3.3 頻率影響分析

為了驗證電路結構中諧振頻率對系統傳輸效率和輸出功率的影響,本文在實驗過程中設定電源電壓U=3.000 V,同時使用MCU依次產生f=30,40,...,100 kHz的驅動頻率。實驗結果顯示,當驅動頻率在50～90 kHz時,系統有功率輸出;驅動頻率在60 kHz左右時系統有最大功率和效率輸出;驅動頻率在60 kHz兩邊逐漸增加或減小時,系統輸出功率逐漸降低;驅動頻率小于50 kHz和大于90 kHz時,系統無功率輸出。以上實驗表明,發射線圈和補償電容組成的諧振網絡存在諧振頻率點,系統頻率與諧振頻率接近時能有最大功率和效率輸出。

3.4 負載影響分析

為了驗證電路結構中接收端負載對系統傳輸效率和輸出功率的影響,本文在實驗過程中設定電源電壓U=3.000 V,然后依次改變負載R=10,20,...,90 Ω。實驗結果顯示,當負載從10 Ω增加到90 Ω時,接收端輸出電壓恒定不變,輸出電流逐漸減小,從而使得輸出功率和傳輸效率也逐漸減小。實驗表面,接收端輸出功率和傳輸效率隨電阻的增加而減小。

3.5 輸入電壓影響分析

為了驗證電路結構中發射端輸入電壓對系統傳輸效率和輸出功率的影響,本文在實驗過程中固定輸入頻率f=60 kHz、圓心差為0,并依次改變發射端輸入電壓U=3,4,...,12 V,然后測量電源電流I、輸出電流U、輸出電壓Uo、輸出功率Po,隨后計算輸入功率Pi、傳輸效率η,最后進行數據分析,所得數據如表1所示。

表1 輸入電壓對各性能參數的影響

如表1所示,當發射端輸入電壓從3V增加到8V時,接收端輸出電壓大幅增加,輸出電流緩慢增加,接收端輸出功率和輸出效率快速增大;當發射端輸入電壓大于8 V后,接收端輸出電壓和輸出電流緩慢下降,輸出功率和輸出效率也隨之緩慢下降。以上實驗表明,當發射端輸入電壓到達某閾值后,系統輸出功率和傳輸效率變化不大。

在系統其他參數不變的情況下,依次分析線圈距離、圓心差、頻率、負載和輸入電壓對系統的影響時發現:線圈距離、圓心差對系統輸出功率和傳輸效率有類似的影響效果,即線圈距離或圓心差逐漸增加時,在一定范圍內輸出功率和效率小幅度變化,線圈距離或圓心差超過某個臨界值時輸出功率和效率急劇減小;當驅動頻率在系統諧振頻率附近變化時,在諧振頻率處輸出功率和傳輸效率最大,隨著驅動頻率增大或減小,接收端輸出功率和效率逐漸減小;當接收端負載逐漸增大時,系統輸出功率和傳輸效率逐漸減小;當發射端輸入電壓逐漸增大時,系統輸出功率和傳輸效率在一定范圍內逐漸增大,當到達一個臨界值時會出現小幅度下降。

4 結語

本文基于電學和電磁學理論梳理了WPT的相關數學模型,采用H橋作為系統電路核心模塊,通過嵌入式開發作為系統電路控制單元,以此設計無線電能傳輸系統。通過對影響系統傳輸效率和輸出功率的線圈距離、圓心差、輸入頻率、負載和電源電壓等因素進行研究,得出了各影響因素對磁場耦合式技術傳輸效率和功率的影響情況,為后期設計大功率無線電能傳輸系統提供技術保障。