金屬障礙物對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的影響

陳 琛 黃學(xué)良 孫文慧 譚林林 強 浩

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096）

1 引言

目前，無線電能傳輸技術(shù)是國內(nèi)外研究的熱點，源源不斷的科學(xué)家、工程師投身到該領(lǐng)域的研究中，越來越多的新方法、新理念層出不窮。短短幾年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電動汽車、便攜式移動設(shè)備、醫(yī)療器械、水下潛艇等不同領(lǐng)域[1-3]。國內(nèi)外的研究大多集中于能量在自由空間中傳播的情況[4-8]。然而隨著無線電能傳輸技術(shù)的推廣，其應(yīng)用環(huán)境也日趨復(fù)雜。在系統(tǒng)周圍，可能會在不同位置出現(xiàn)不同材質(zhì)的障礙物。障礙物的出現(xiàn)將對系統(tǒng)的工作狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失諧而不能正常工作。

一些學(xué)者已經(jīng)對某些狀況下的系統(tǒng)干擾問題進行了研究[9,10]，對設(shè)置在系統(tǒng)周圍固定位置的金屬干擾體進行了分析。本文在此基礎(chǔ)上，通過有限元分析軟件 COMSOL對鐵質(zhì)障礙物處于不同位置時系統(tǒng)周圍磁場進行了仿真，分析了對系統(tǒng)能量傳輸?shù)挠绊憽Ｗ詈笸ㄟ^實驗驗證表明，金屬障礙物的引入會導(dǎo)致系統(tǒng)工作頻率下降，輸出功率降低。另外，實驗中通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容，改變系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)恢復(fù)到原來的諧振狀態(tài)，使輸出功率最大，這一結(jié)論將對磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的傳輸系統(tǒng)具有很好的指導(dǎo)意義。

2 磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)模型

磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)主要借助于交變磁場將能量從發(fā)射線圈傳遞到接收線圈，實現(xiàn)對負載的供電。圖1是一個典型的磁耦合諧振無線電能傳輸結(jié)構(gòu)，它由獨立的兩個部分組成，分別連接到電源和負載，圖2為其等效電路。

圖2 無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路Fig.2 equivalent circuit of wireless power transmission system

圖1中，傳輸系統(tǒng)由發(fā)射器、接收器組成，除此之外，一個完整的感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)還必須有發(fā)射功率源和接收功率設(shè)備。高頻振蕩電路和高頻功率放大電路用于產(chǎn)生高頻功率源。圖2中，U為高頻逆變源；ZS為電源內(nèi)阻；L1為發(fā)射線圈的等效電感；L2為接收線圈的等效電感；R1為發(fā)射線圈在高頻下的等效電阻；R2為接收線圈在高頻下的等效電阻；M為兩線圈之間的互感；C1為發(fā)射線圈在高頻下的寄生電容；C2為外接可調(diào)電容；ZL為負載電阻。

根據(jù)等效電路可以列出系統(tǒng)的KVL方程為

負載功率，即系統(tǒng)輸出功率為

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時，系統(tǒng)具有最大的傳輸功率，即滿足

若系統(tǒng)附近遇到鐵磁性材料的障礙物，系統(tǒng)周圍磁場將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈之間的互感等參數(shù)變化、系統(tǒng)失諧以及輸出功率降低?；诖?，本文通過仿真和實驗研究分析了障礙物在不同位置時對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

3 磁場仿真

本文通過電磁場有限元分析軟件 COMSOL來進行電磁場的仿真。首先對實際系統(tǒng)進行電流測量，已知發(fā)射線圈和接收線圈電流，設(shè)置電流值和相應(yīng)的線圈幾何參數(shù)，根據(jù)實驗所用的線圈參數(shù)在軟件中建立螺旋線模型，設(shè)置20costω電流，頻率為2.2MHz，周圍3m半徑的空氣作為仿真區(qū)域。鐵質(zhì)金屬障礙物的相對磁導(dǎo)率為4 000，相對介電常數(shù)為1，電導(dǎo)率為1.12×107S/m，密度為7 870kg/m3，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 障礙物對系統(tǒng)磁場的影響Fig.3 Obstacles affection on magnetic field of the system

由圖3可以看到：障礙物的設(shè)置使周圍磁場發(fā)生了變化，并且在系統(tǒng)不同位置對系統(tǒng)磁場影響不同。

將金屬障礙物距離兩線圈連線中點的距離設(shè)置為掃描參數(shù)，可得到線圈互感隨障礙物位置不同的變化曲線，距離為負表示距離接收線圈較近，反之表示距離發(fā)射線圈較近。仿真結(jié)果如圖4所示。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)障礙物位于兩線圈之間時，障礙物距離任一線圈越近，對互感的影響越大；當(dāng)障礙物位于兩線圈外時，障礙物距離線圈越近，對互感影響越大。而障礙物在發(fā)射側(cè)對系統(tǒng)的影響大于接收側(cè)。由上述分析可知，障礙物的引入對系統(tǒng)互感產(chǎn)生很大的影響，進而導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出功率和效率發(fā)生變化。

圖4 障礙物對線圈之間互感的影響Fig.4 Obstacles affection on the mutual inductance between coils

4 實驗驗證

本實驗以鐵質(zhì)金屬板作為障礙物，分別置于兩個線圈之間和兩個線圈外側(cè)進行實驗。實驗裝置如圖5所示，將發(fā)射線圈和接收線圈固定在導(dǎo)軌上，保持設(shè)定距離不變。接收線圈與碘鎢燈負載相連接，通過調(diào)節(jié)接收側(cè)可調(diào)電容改變系統(tǒng)參數(shù)，保持系統(tǒng)諧振。其主要參數(shù)見表1。

圖5 實驗裝置Fig.5 The experimental device

表1 系統(tǒng)參數(shù)配置Tab.1 Sysrem parameters

4.1 障礙物對系統(tǒng)工作頻率的影響

由于障礙物的設(shè)置，將導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率發(fā)生變化，根據(jù)式（2），在系統(tǒng)其他參數(shù)不變的條件下，系統(tǒng)頻率降低將會導(dǎo)致輸出功率的減小，實驗結(jié)果見表 2。實驗中通過可調(diào)電容的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)恢復(fù)到原有的工作頻率，保證系統(tǒng)具有最大的輸出功率。

表2 障礙物對系統(tǒng)工作頻率的影響Tab.2 Obstacles effects on the working frequency of the system（單位：MHz）

由實驗結(jié)果可知，當(dāng)障礙物在發(fā)射端與接收端軸線中點時不影響工作頻率變化。而障礙物在發(fā)射側(cè)對系統(tǒng)的影響大于接收側(cè)。

4.2 障礙物在系統(tǒng)兩側(cè)時對輸出功率的影響

4.2.1 障礙物在系統(tǒng)兩側(cè)

當(dāng)鐵板在接收和發(fā)射線圈外側(cè)時，輸出功率與障礙物的距離關(guān)系如圖6所示。

圖6 鐵板在接收和發(fā)射線圈外側(cè)Fig.6 Iron plate on the outside of receiving and transmitting coil

圖6中橫坐標(biāo)為障礙物鐵板距離線圈的位置，縱坐標(biāo)為輸出功率。由實驗數(shù)據(jù)可知：①在系統(tǒng)兩側(cè)設(shè)置障礙物后，將對系統(tǒng)的輸出功率產(chǎn)生很大影響，輸出功率將隨障礙物距離線圈的距離減小而降低；②障礙物在發(fā)射端一側(cè)對系統(tǒng)輸出功率產(chǎn)生的影響要略大于障礙物在接收端一側(cè)。

在系統(tǒng)兩側(cè)設(shè)置障礙物后，同時調(diào)節(jié)可調(diào)電容，將增大系統(tǒng)的輸出功率。實際測量結(jié)果見表3。

表3 障礙物在系統(tǒng)兩側(cè)時的輸出功率Tab.3 Output power when obstacles on one sides of the system

由實驗數(shù)據(jù)可知，在系統(tǒng)兩側(cè)設(shè)置障礙物后雖然影響了系統(tǒng)的輸出功率，但通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，仍然可以將系統(tǒng)的輸出功率維持在無障礙物時系統(tǒng)的輸出功率左右并保證系統(tǒng)最大的傳輸功率。

4.2.2 障礙物在系統(tǒng)之間

當(dāng)鐵板在發(fā)射線圈和接收線圈之間時，輸出功率與障礙物的距離關(guān)系如圖7所示。

圖7 鐵板在接收和發(fā)射線圈之間Fig.7 Iron plate between receiving and transmitting coil

通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容，使系統(tǒng)恢復(fù)到輸出功率最大時，實驗結(jié)果見表4。

表4 障礙物在系統(tǒng)之間時的輸出功率Tab.4 Output power when obstacles between the system

由實驗數(shù)據(jù)可知：①當(dāng)障礙物位于發(fā)射和接收線圈軸線中點時，對輸出功率影響最小，隨著障礙物距離中點位置越遠，對系統(tǒng)輸出功率的影響越大；②以障礙物位于發(fā)射和接收線圈軸線中點為中心，障礙物對系統(tǒng)輸出功率的影響呈不對稱分布；③通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，將會大幅度提高輸出功率，但略小于無障礙物時的輸出功率。

5 結(jié)論

本文通過對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)進行實驗和仿真分析，主要研究了鐵質(zhì)障礙物的引入對系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，無論障礙物在發(fā)射端、接收端兩線圈中間或外側(cè)，都會降低系統(tǒng)的工作頻率，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出功率的變化。障礙物處于不同位置時對系統(tǒng)的影響是不同的，當(dāng)障礙物在發(fā)射端時對系統(tǒng)的影響最大，當(dāng)障礙物在兩線圈軸線中點時不影響工作頻率變化。最后實驗表明，通過調(diào)諧，仍可使系統(tǒng)大致恢復(fù)到無障礙物時的狀態(tài)，保證系統(tǒng)傳輸功率最大化。

[1]曹玲玲, 陳乾宏, 任小勇, 等. 電動汽車高效率無線充電技術(shù)的研究進展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012,27(8): 1-13.

Cao Lingling, Chen Qianhong, Ren Xiaoyong, et al.Review of the efficient wireless power transmission technique for electric vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(8): 1-13.

[2]Bingnan W, Nishino T, Koon Hoo T. Wireless power transmission efficiency enhancement with metamaterials[C]. IEEE International Conference on Wireless Information Technology and Systems, Honolulu, USA,2010: 1-4.

[3]Bhuyan S, Panda S K, Sivanand K, et al. A compact resonace-based wireless energy transfer system for implanted electronic devices[C]. IEEE International Conference on Energy, Automation, and Signal,Bhubaneswar, India, 2011: 1-3.

[4]翟淵, 孫躍, 戴欣, 等. 磁共振模式無線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012,32(12): 155-160.

Zhai Yuan, Sun Yue, Dai Xin, et al. Modeling and analysis of magnetic resonance wireless power transmission systems[J]. Proceedings of the CSEE,2012, 32(12): 155-160.

[5]黃輝, 黃學(xué)良, 譚林林, 等. 基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發(fā)射及接收裝置的研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2011, 30(1): 32-35.

Huang Hui, Huang Xueliang, Tan Linlin et al.Research on transmitter and receiver of wireless power transmission based on magnetic resonance coupling[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2011, 30(1): 32-35.

[6]黃學(xué)良, 吉青晶, 譚林林, 等. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)串并式模型研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2013, 28(3): 171-176.

Huang Xueliang, Ji Qingjing, Tan Linlin, et al. Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(3): 171-176.

[7]Qiang H, Huang X L, Tan L L, et al. Achieving maximum power transfer of inductively coupled wireless power transfer system based on dynamic tuning control[J]. Science China Technological Sciences,2012, 55(7): 1886-1893.

[8]Tan L L, Huang X L, Huang H, et al. Transfer efficiency optimal control of magnetic resonance coupled system of wireless power transfer based on frequency control[J]. Science China Technological Sciences, 2011, 54(6): 1428-1434.

[9]Ogawa K, Oodachi N, Obayashi S, et al. A study of efficiency improvement of wireless power transfer by impedance matching[C]. IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications, Nanjing, China, 2012: 155-157.

[10]Yu X, Sandhu S, Beiker S, et al. Wireless energy transfer with the presence of metallic planes[J]. Applied Physics Letters, 2011, 99(21): 214102-214103.