低頻小尺寸高效無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究

董 燕，余 亮，李 琳，梁 齊

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥230009）

著名物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波后不久，美籍電氣學(xué)家尼古拉·特斯拉便提出利用電磁波攜帶能量實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸?shù)臉?gòu)想[1]。與傳統(tǒng)的用導(dǎo)線進(jìn)行電力傳輸方式相比，無(wú)線電能傳輸實(shí)現(xiàn)了電源與用電負(fù)載間完全的電氣隔離，不僅克服輸電導(dǎo)線帶來(lái)的空間限制、不易維護(hù)等問(wèn)題，更可避免接觸放電等安全隱患，具有安全、可靠、靈活等無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]。經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，電能無(wú)線傳輸延伸出幾種不同的傳輸方式：微波、無(wú)線電波、激光、超聲波、電磁感應(yīng)、諧振耦合，這幾種傳輸模式各有優(yōu)勢(shì)和不足[3-4]。電磁感應(yīng)式是過(guò)去20年來(lái)無(wú)線電能傳輸?shù)闹髁?，已有一些商業(yè)化產(chǎn)品面世，但其傳輸距離過(guò)短制約了它在更廣闊范圍的應(yīng)用。

諧振耦合模式由MIT的M.Soljacic團(tuán)隊(duì)提出，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了2 m、60 W的傳輸效果[5]，這表明該模式具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，奠定了無(wú)線電能傳輸技術(shù)在汽車充電、物聯(lián)網(wǎng)傳感器及醫(yī)療植入物供電等廣泛領(lǐng)域的實(shí)用化基礎(chǔ)，引發(fā)了近年來(lái)諧振耦合式無(wú)線傳輸技術(shù)的研究熱潮。

目前，如何提高電能傳輸效率已成為研發(fā)實(shí)用化、低頻、小體積諧振耦合無(wú)線電能傳輸裝置的關(guān)鍵課題。耦合模理論(Coupling Mode Theory)表明，采用高無(wú)載 Q值線圈可明顯提高諧振系統(tǒng)在低頻下的傳輸效率，促使超導(dǎo)諧振耦合系統(tǒng)設(shè)想的產(chǎn)生，但其高昂的成本不容忽視[6]。參考文獻(xiàn)[7]則提出采用阻抗變換電路改變負(fù)載等效阻抗的方法以提高系統(tǒng)的傳輸效率。PINTO[8]、TAK[9]和HUNTER[10]等人發(fā)現(xiàn)，采用不同模型，諧振耦合系統(tǒng)的能量傳輸效率均受諧振體距離和相對(duì)角度等諧振結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，在一定結(jié)構(gòu)條件下存在效率極值，這說(shuō)明可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)諧振結(jié)構(gòu)來(lái)有效提高傳輸效率。例如，羅斌等人最近便采用單中繼線圈顯著增大了小信號(hào)、低頻率RLC串聯(lián)諧振系統(tǒng)的能量傳輸距離，且發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的傳輸效率和負(fù)載功率對(duì)中繼線圈的橫向偏移和角度傾斜變化不敏感。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，線圈匝數(shù)與傳輸效率成負(fù)相關(guān)，而線圈半徑的增大對(duì)傳輸效率產(chǎn)生先提升后抑制的影響[11]。另外，串/并聯(lián)混合諧振電路、自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)等方法也被預(yù)期可用于提升或保持系統(tǒng)的最佳傳輸效率。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索了多負(fù)載線圈、單中繼線圈、隔磁材料貼附對(duì)諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸效率的影響。

1 多接收線圈結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸效率的影響

目前諧振耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)多為單負(fù)載線圈結(jié)構(gòu)。由于發(fā)射線圈發(fā)射磁場(chǎng)并無(wú)完全的單向性，在以其為中心的球形空間內(nèi)均有一定程度的磁場(chǎng)分布，單線圈負(fù)載顯然無(wú)法接收整個(gè)磁場(chǎng)能量。采用多負(fù)載線圈結(jié)構(gòu)理論上可提高磁場(chǎng)能量接收率，從而有望提升系統(tǒng)傳輸效率。

圖1給出了本文實(shí)驗(yàn)研究的單負(fù)載諧振結(jié)構(gòu)和雙負(fù)載諧振結(jié)構(gòu)的示意圖。其中單負(fù)載結(jié)構(gòu)只有接收端1位于發(fā)射端的右端，雙負(fù)載結(jié)構(gòu)的兩個(gè)接收端1與接收端2分別位于發(fā)射線圈軸線的兩個(gè)方向。

圖1 單、雙接收線圈諧振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率隨傳輸距離的增加呈現(xiàn)先增大后減小的演變行為。單負(fù)載系統(tǒng)和雙負(fù)載系統(tǒng)均在4 cm附近達(dá)到最大傳輸效率，小幅偏離最佳傳輸距離即可引起傳輸效率的快速下降，該結(jié)果同PINTO等人的理論研究結(jié)果一致[8-9]。極值兩側(cè)傳輸效率的對(duì)數(shù)值同傳輸距離近似成線形關(guān)系，此關(guān)系在圖2中體現(xiàn)得更為明顯。4 cm處系統(tǒng)最大傳輸效率從14.35%增加到45.7%。以上結(jié)果表明，通過(guò)增加接收線圈數(shù)量確實(shí)可提高發(fā)射磁場(chǎng)能量的利用率，提高系統(tǒng)的傳輸效率。值得指出的是，實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮到多接收端對(duì)發(fā)射能量的分散作用，因此接收端的個(gè)數(shù)應(yīng)視接收電壓而定，以保證接收端電壓可驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖2 雙接收線圈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳輸效率

2 中繼線圈對(duì)傳輸效率的影響

HAMAM[12]和 RANGELOV[13]等人均從理論上提出附加中繼線圈可改善諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的性能。圖3是在發(fā)射線圈和接收線圈間同軸附加中繼線圈的諧振耦合系統(tǒng)的示意圖。為保證系統(tǒng)的諧振性，中繼線圈諧振頻率與系統(tǒng)固有諧振頻率相同。

圖3 附加中繼線圈諧振耦合系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中繼線圈與發(fā)射線圈間距離d對(duì)系統(tǒng)傳輸效率影響明顯。隨著中繼線圈遠(yuǎn)離發(fā)射線圈，系統(tǒng)傳輸效率先后經(jīng)歷緩慢增加、快速增加和快速下降(直至平穩(wěn))的過(guò)程，而最大傳輸效率對(duì)應(yīng)的中繼線圈-發(fā)射線圈距離do則與傳輸距離l有關(guān)。

此外還注意到，中繼線圈應(yīng)在發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生諧振后放置，否則，中繼線圈對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的提升作用便不明顯，這與RANGLOV等人的理論分析結(jié)果一致[13]。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，附加中繼線圈亦可明顯提高諧振耦合系統(tǒng)的傳輸效率，如圖4所示，且在較遠(yuǎn)距離下中繼線圈對(duì)效率的提升更加明顯，這與反射阻抗隨中繼距離變小而增大有關(guān)。其中中繼線圈均放置在各傳輸距離對(duì)應(yīng)的最佳位置處。由此可見(jiàn)中級(jí)線圈可起到增強(qiáng)磁場(chǎng)能量匯聚的作用。隨著傳輸距離的增加，無(wú)論是否附加中繼線圈，系統(tǒng)傳輸效率均逐漸減小。

圖4 中繼線圈對(duì)傳輸效率的影響

一般而言，線圈發(fā)射磁場(chǎng)的能量主要集中在以線圈軸線為軸、線圈面為頂面、發(fā)射角為θ的錐臺(tái)空間內(nèi)。當(dāng)傳輸距離較小時(shí)，接收線圈即可覆蓋整個(gè)發(fā)射角，從而實(shí)現(xiàn)高的傳輸效率，此時(shí)附加中繼線圈所起到的能量匯聚作用對(duì)提高系統(tǒng)傳輸效率意義不大；增大傳輸距離時(shí)，傳輸線圈所覆蓋的發(fā)射角逐漸減小，因而傳輸效率逐漸下降，此時(shí)附加中繼線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量匯聚作用可等價(jià)于減小傳輸距離，因而可有效提高系統(tǒng)的傳輸效率；若傳輸距離繼續(xù)增加到遠(yuǎn)場(chǎng)，接收線圈覆蓋發(fā)射角很小，導(dǎo)致傳輸效率極小，即使附加中繼線圈，由于線圈間距離大，傳輸效率提升效果有限。此時(shí)可考慮適當(dāng)增加中繼線圈數(shù)量，但由于中繼線圈存在能量損耗，不能無(wú)限增加，所以中級(jí)線圈數(shù)量應(yīng)存在最佳值。

3 隔磁材料對(duì)傳輸效率的影響

圖5給出了不同厚度的錳鋅鐵氧體隔磁片對(duì)傳輸效率的影響曲線。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隔磁片貼附在接收端可提升傳輸效率，而貼附在發(fā)射端系統(tǒng)時(shí)傳輸效率反而有所降低，可見(jiàn)由于隔磁片的磁場(chǎng)屏蔽和能量吸收作用，發(fā)射線圈貼覆隔磁片能降低系統(tǒng)傳輸效率，其機(jī)制有待進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)亦表明，隔磁材料對(duì)諧振耦合系統(tǒng)電能傳輸效率的調(diào)節(jié)能力與隔磁材料的磁導(dǎo)率亦存在關(guān)聯(lián)，磁導(dǎo)率越高，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中采用的硬的鐵氧體隔磁片磁導(dǎo)率為 125，軟的磁導(dǎo)率為45(在 1 MHz下的值)。從圖5中可以看出，高磁導(dǎo)率的隔磁片對(duì)效率的提升作用大于低磁導(dǎo)率。

圖5 隔磁材料對(duì)傳輸效率的影響

圖6 綜合系統(tǒng)效率與原效率對(duì)比

4 綜合系統(tǒng)

從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，添加多接收端、中繼線圈與隔磁片這3種方法都可以在一定程度上增加無(wú)線電能的傳輸效率。由圖6可知，構(gòu)建綜合系統(tǒng)，在系統(tǒng)中同時(shí)應(yīng)用上述方法，在傳輸距離l=5 cm時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率從原來(lái)的25.85%提高到了85.4%。

本實(shí)驗(yàn)研究了多接收線圈、中繼線圈和隔磁片在提高低頻小線圈諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率中的作用規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，以上方法均可提高諧振耦合系統(tǒng)電能傳輸效率，其中多接收線圈和中繼線圈兩種方法的提升效果更加顯著。中繼線圈結(jié)構(gòu)可使雙線圈系統(tǒng)在較寬的傳輸距離范圍內(nèi)保持較高的傳輸效率。最后搭建了綜合系統(tǒng)，應(yīng)用上述方法，系統(tǒng)總的傳輸效率與原始系統(tǒng)相比得到了明顯的提升。

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