一種高Q值的諧振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用

湯 偉，楊瑞霞，郭志濤，顧軍華

(河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

一種高Q值的諧振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用

湯 偉，楊瑞霞，郭志濤，顧軍華

(河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

針對(duì)經(jīng)皮無(wú)線供電系統(tǒng)中松耦合的電磁感應(yīng)供電方式存在的能量傳輸距離近，傳輸效率低的問(wèn)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?shù)睦碚撃Ｐ鸵约癚值在能量傳輸效率中的作用;其次對(duì)基本經(jīng)皮感應(yīng)電路進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)在驅(qū)動(dòng)和負(fù)載之間增加一對(duì)諧振線圈，減小信號(hào)源內(nèi)阻以及負(fù)載對(duì)Q值的影響;最后搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用增加諧振線圈的方式提高了系統(tǒng)Q值，相同傳輸距離時(shí)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(jīng)皮無(wú)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(nèi)的電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在生命體自然狀態(tài)下體內(nèi)的直接測(cè)量和控制功能，也可用來(lái)代替、補(bǔ)充人體器官的功能等。目前經(jīng)皮能量傳輸都采用無(wú)接觸點(diǎn)方式，基本都是基于電磁感應(yīng)方式進(jìn)行能量傳輸［1-2］。

但是采用電磁感應(yīng)式的無(wú)線傳輸存在效率低，距離近的問(wèn)題。原因主要有以下兩個(gè)方面:①基于電磁感應(yīng)的能量傳輸效率對(duì)距離要求較高，目前電磁感應(yīng)方式應(yīng)用中，只有當(dāng)距離接近零時(shí)效率才能達(dá)到80%，發(fā)送線圈和接收線圈遠(yuǎn)離時(shí)，能量傳輸效率急劇下降;②能量傳輸系統(tǒng)的傳輸線圈和負(fù)載線圈的Q值比較低，系統(tǒng)能量效率損耗大，導(dǎo)致系統(tǒng)的能量傳遞效率不高［3-4］。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了高Q值的諧振式經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)，通過(guò)增加一對(duì)諧振線圈的方式，同時(shí)獲得了傳輸方式和線圈Q值兩方面的改進(jìn)，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(xiàn)［5］中論證了使用諧振物體利用非輻射場(chǎng)［6］的尾端來(lái)高效傳輸能量的可行性。他指出:兩個(gè)諧振物體的諧振頻率相同時(shí)能有效地交換能量，只有微量能量損耗在外來(lái)的偏共振物體上。在諧振耦合系統(tǒng)中，通常會(huì)有一個(gè)“強(qiáng)耦合”的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域。如果能量的傳輸發(fā)生在該區(qū)域，環(huán)境中的物體干擾很小，損失到環(huán)境中的能量很少，就能實(shí)現(xiàn)高效率的傳輸［5］。

共振物體發(fā)生強(qiáng)耦合相互作用可以使用耦合模型理論來(lái)描述這個(gè)物理系統(tǒng)［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(dú)的物體m的振動(dòng)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(shù);

Fm(t）——表示驅(qū)動(dòng)項(xiàng)。

對(duì)一個(gè)由接收裝置線圈(用D表示）和驅(qū)動(dòng)源線圈(用S表示）組成的系統(tǒng)而言，S被固定頻率的外力驅(qū)動(dòng)，并且這兩個(gè)物體之間的耦聯(lián)系數(shù)為 κ。傳輸?shù)紻的能量用W表示，接收端沒(méi)有負(fù)載時(shí)衰退率為ΓD(固有衰退率），有負(fù)載時(shí)就增加一個(gè)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(fù)載中消耗的能量，即2ΓW|aD(t）|2。根據(jù)方程(1），考慮到ΓW，能量傳輸效率η滿足:

3 諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q

圖1所示是基本的諧振式無(wú)線能量傳輸電路，R1，R4分別是線圈 L1、L4的直流電阻，當(dāng) R1、R4足夠小時(shí)(本實(shí)驗(yàn)中為0.21～0.25Ω），負(fù)載RL和電源內(nèi)阻RS與LC諧振電路相并聯(lián)，則電路的Q值決定于RL、RS。實(shí)際應(yīng)用情況是電源內(nèi)阻和負(fù)載的阻值一般都很大，通常電源內(nèi)阻都為500Ω左右，這樣就會(huì)導(dǎo)致Q一般都較小，因此難以實(shí)現(xiàn)高效率的無(wú)線能量傳輸。

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

4 諧振電路的改進(jìn)

由以上的分析可以得知發(fā)送線圈的內(nèi)阻和負(fù)載線圈的負(fù)載電阻是限制Q值的主要因素。而在實(shí)際當(dāng)中，這兩個(gè)電阻不能任意減小，單純的提高線圈電感量也難以實(shí)現(xiàn)高Q值。在這種情況下，本文針對(duì)下面的改進(jìn)方法進(jìn)行了分析。如圖2所示，在發(fā)送線圈L1和負(fù)載線圈L4之間增加了兩個(gè)分別串聯(lián)有C2、C3的諧振線圈L2、L3，二者之間能夠?qū)崿F(xiàn)諧振式磁耦合，圖中L1與信號(hào)源相連，它與L2之間采用緊耦合電磁感應(yīng)能量傳輸，L4是負(fù)載線圈，它與L3采用電磁感應(yīng)能量傳輸。

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

5 電路模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

基于以上的理論分析，本文設(shè)置了兩組實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)方式和改進(jìn)的諧振方式的傳輸距離和傳輸效率進(jìn)行對(duì)比。本實(shí)驗(yàn)裝置主要由4個(gè)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(wú)線能量傳輸?shù)男Ч?/p>

圖3 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Test device of wireless power transmission system

諧振線圈L2、L3分別串聯(lián)有集總參數(shù)電容 C2、C3，4個(gè)線圈的參數(shù)如表1所示。線圈 L4串接有100Ω的電阻。實(shí)驗(yàn)中采用信號(hào)發(fā)生器作為驅(qū)動(dòng)源來(lái)產(chǎn)生正弦波信號(hào)以驅(qū)動(dòng)L1線圈，經(jīng)測(cè)試諧振線圈對(duì) L2、L3諧振頻率為1.83MHz。

表1 實(shí)驗(yàn)所有線圈參數(shù)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(jìn)的諧振式無(wú)線能量傳輸比電磁感應(yīng)方式具有更高的效率，但是諧振是高效率的前提。實(shí)驗(yàn)一通過(guò)固定傳輸距離，改變頻率的方式來(lái)分析頻率的改變對(duì)高Q值諧振式方式和電磁感應(yīng)方式的傳輸效率所帶來(lái)的影響。固定驅(qū)動(dòng)線圈L1和L4之間的距離為5cm，改變信號(hào)源的頻率，分別測(cè)量諧振方式和電磁感應(yīng)方式在不同頻率時(shí)接收端電壓的峰峰值。圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的曲線圖。

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

可以看出改進(jìn)的高Q值的諧振式方式比電磁感應(yīng)方式具有更高的傳輸效率，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出約為電磁感應(yīng)方式的4倍;改進(jìn)方式在諧振頻率附近接收端電壓下降快，而電磁感應(yīng)方式在所測(cè)量的頻率范圍內(nèi)衰減都較緩慢，說(shuō)明諧振方式比電磁感應(yīng)方式對(duì)頻率的變化更敏感。

對(duì)于無(wú)線能量傳輸而言，距離增大都會(huì)導(dǎo)致傳輸效率的衰減。本文設(shè)置了實(shí)驗(yàn)二來(lái)分析距離對(duì)能量傳輸方式的影響，為了分析增加一對(duì)諧振線圈的影響，增加了一組普通諧振方式的實(shí)驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)源的峰峰值 VPP=8V，固定驅(qū)動(dòng)源的頻率 f=1.83MHz。改變接收線圈的距離來(lái)測(cè)量三種情況下接收線圈的電壓峰峰值，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種方式接收端電壓與距離的關(guān)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(jìn)方式衰減的速度明顯變緩，能量傳輸效率相同時(shí)傳輸?shù)木嚯x最遠(yuǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)二測(cè)得的結(jié)果，因 P1=/R，P2=/R，P1為驅(qū)動(dòng)源直接加到負(fù)載情況的功率，P2為實(shí)際接收端的功率，則 P2/P1=/，通過(guò)計(jì)算得出了三種方式在不同距離時(shí)的能量傳輸?shù)墓β实谋戎?，?jiàn)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(duì)諧振線圈后，能量傳輸效率得到了提高，能量傳輸?shù)木嚯x明顯增大。與普通的電磁感應(yīng)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(jìn)方式效率衰減的最慢，能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的無(wú)線能量傳輸，證明了理論分析的正確性。

6 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的經(jīng)皮供電系統(tǒng)中所采用的感應(yīng)式無(wú)線供電方式的不足之處，采用一種改進(jìn)的磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸方式，在電源和負(fù)載線圈之間加入一對(duì)不外接并聯(lián)負(fù)載或者電源的諧振耦合線圈。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這種改進(jìn)方法能獲得一個(gè)更遠(yuǎn)，更高Q值，更高效率的無(wú)線能量傳輸。

References）:

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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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(11JCZDJC1570）

湯 偉 (1986-），男，湖南籍，碩士研究生，從事無(wú)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(shè)計(jì)制備和特性的研究。