磁耦合諧振式無線電能傳輸效率的最優(yōu)化研究

胡金德，張小強，章　偉，3

(1.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816；2.南京益得冠電子科技有限公司，江蘇 南京 211100；3.南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210009)

磁耦合諧振式無線電能傳輸效率的最優(yōu)化研究

胡金德1，張小強2，章偉1，3

(1.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816；2.南京益得冠電子科技有限公司，江蘇 南京 211100；3.南京工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210009)

無線充電在電動汽車、無線傳感器網(wǎng)系統(tǒng)有著極其廣泛的應(yīng)用。提高無線能量充電的效率是無線充電應(yīng)用的核心。為了提高磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率，研究了增強線圈（或中繼線圈）、多接收端、隔磁片對電能系統(tǒng)傳輸效率的影響。研究結(jié)果表明增加一個增強線圈、多個接收線圈以及在接收線圈一側(cè)附加隔磁片均可提高磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)男省Ｈ呓M成系統(tǒng)的效率經(jīng)優(yōu)化后比原始系統(tǒng)提高了17%。

無線電能傳輸；增強線圈；多接收端；隔磁片

0　引言

傳感網(wǎng)技術(shù)作為21世紀(jì)的一個重要新興科技領(lǐng)域，在理論應(yīng)用和市場方面保持著高速發(fā)展。任何用于傳感網(wǎng)的傳感器都需要電源。目前這些傳感器的電源都是直接或者間接來源于電池。隨著傳感網(wǎng)中大量微納傳感器分散布置在寬廣的區(qū)域，傳統(tǒng)的利用電池來提供電源及更換電池的方法不再適用。因此發(fā)展新型的傳感器供電系統(tǒng)是傳感網(wǎng)微納傳感器應(yīng)用的迫切要求。

從1893年Nikola Tesla利用無線電能傳輸原理點亮了熒光照明燈，到2013年AKASOL公司為龐巴迪公司推出了鋰離子電池?zé)o線感應(yīng)充電技術(shù)，無線電能傳輸技術(shù)取得了長足的發(fā)展[1-4]。在理論研究方面，André Kurs等人用數(shù)學(xué)模型描述了該技術(shù)實現(xiàn)的方法并說明高Q值的線圈可以提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離[5]。采用超導(dǎo)體材料構(gòu)建的振蕩系統(tǒng)和線圈以及低的工作頻率可以降低系統(tǒng)的損耗達(dá)到提高傳輸效率的目的[6]。在實驗研究方面，Marin Soljacic的團(tuán)隊在2007年利用磁諧振耦合無線能量傳輸技術(shù)實現(xiàn)了點亮 2 m外一個60 W的燈泡，而在2009年該團(tuán)隊增加了中繼線圈，搭建了三諧振系統(tǒng)，最終發(fā)現(xiàn)其比僅有發(fā)射和接收線圈的二諧振系統(tǒng)的傳輸效率要高[7]。

在目前實際的應(yīng)用中，基于發(fā)射、中繼、接收線圈構(gòu)成的磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)具有簡單的結(jié)構(gòu)，是最易于實際應(yīng)用的設(shè)計，然而鮮有關(guān)于這些線圈結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化的報道?？紤]到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的微傳感器供電實際應(yīng)用中傳輸距離遠(yuǎn)、傳感器數(shù)量多以及微型化的要求，本文著重研究了在低頻、小尺寸下增強線圈、多個接收端、隔磁材料（隔磁片）對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸距離和效率的影響與優(yōu)化。分別對有發(fā)射和接收線圈、單個增強線圈、諧振線圈附加隔磁片、多接收端4種情況分別進(jìn)行研究，并與理論模擬的效率進(jìn)行對比。

1　實驗

磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、直流電源、驅(qū)動電路(功率放大電路)、發(fā)射和接收線圈、整流濾波電路、負(fù)載組成(圖1)。為保證實現(xiàn)諧振傳輸，本實驗所搭建的低功率、小尺寸結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)中兩個線圈的參數(shù)保持一致。

圖1　傳輸系統(tǒng)示意圖

實驗中線圈采用匝數(shù)N均為20匝、直徑均為6.5 cm、0.01mm×40的李茲線，電容為1.5 nF。MOS管采用IR公司的IRF540N，該MOS管耐壓值為100 V，最大漏極電流達(dá)到33 A，導(dǎo)通和關(guān)斷時間均為35 ns。MOS管驅(qū)動芯片為IR公司生產(chǎn)的MOS管驅(qū)動芯片,具有體積小、集成度高、響應(yīng)快、驅(qū)動能力強等優(yōu)點且成本低、易于調(diào)試[8]。信號發(fā)生器采用RIGOL公司的DG1022，直流電源型號為DP1116 A。實驗系統(tǒng)的工作頻率(諧振頻率)為536 kHz，供給諧振線圈的直流電源電壓為10 V。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率是使接收線圈上的負(fù)載兩端的電壓達(dá)到最大(本實驗采用1 kΩ電阻代替負(fù)載)。固定發(fā)射線圈，和接收線圈保持同軸、平行放置。每移動一次接收線圈調(diào)節(jié)信號頻率以保持負(fù)載上的電壓值最大，并記錄發(fā)射功率。在分別做完原始系統(tǒng)和帶有一個增強、附加隔磁片、多接收端系統(tǒng)實驗之后計算系統(tǒng)傳輸效率，對比實驗結(jié)果后得出結(jié)論。

2　結(jié)果與討論

本文的研究是基于一個增強線圈的三諧振系統(tǒng)，三個線圈的尺寸相同，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　加一個增強線圈的三諧振系統(tǒng)

與 Marin Soljacic的團(tuán)隊在實驗中采用線圈自身的寄生電容構(gòu)成諧振系統(tǒng)相比[5]，本文中采用外接電容與線圈為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是系統(tǒng)諧振頻率更容易調(diào)節(jié)并避免使用過程中的其他因素導(dǎo)致線圈自身的寄生電容發(fā)生改變，進(jìn)而使得諧振頻率發(fā)生改變導(dǎo)致系統(tǒng)無法實現(xiàn)共振傳輸[9]。本系統(tǒng)中增強線圈放置在發(fā)射線圈和接收線圈之間用來提高系統(tǒng)的傳輸距離和效率。為保證系統(tǒng)正常工作，發(fā)射、增強、接收線圈的諧振頻率相同以達(dá)到共振。增強線圈僅由線圈和電容組成，且其參數(shù)和發(fā)射、接收線圈完全一致以保證增強線圈和發(fā)射、接收線圈實現(xiàn)共振傳輸。由于增強線圈僅由諧振線圈和諧振電容組成，因此具有很高的品質(zhì)因數(shù)[7]。系統(tǒng)工作時，發(fā)射線圈和增強線圈發(fā)生耦合共振，再通過增強線圈與接收線圈之間的耦合諧振傳輸給接收線圈。最后，接收線圈將能量供給負(fù)載使用。

首先研究增強線圈對系統(tǒng)傳輸效率的影響。結(jié)果如圖3所示，在其他參數(shù)不變的情況下，分別測試有、無增強線圈兩種情況下對傳輸效率影響。

圖3　有無增強線圈對傳輸?shù)挠绊?/p>

當(dāng)加入一個增強線圈，同時固定接收線圈和發(fā)射線圈的位置，移動增強線圈的位置并調(diào)節(jié)頻率可改變輸出效率。從圖3中可以看出，隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)的傳輸效率不斷下降。這是由于隨著距離的增加線圈之間的互感系數(shù)減小，使得傳輸效率下降。然而從圖3可以看出,在有增強線圈的情況下,即使在較遠(yuǎn)距離處，其傳輸效率要明顯大于沒有增強線圈的情況。在4～7 cm的傳輸距離內(nèi)，傳輸效率可增加20%。其原因在于當(dāng)距離較遠(yuǎn)時接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感系數(shù)急劇下降導(dǎo)致效率降低；而當(dāng)有增強線圈時其放大了來自發(fā)射線圈的能量，其等同于減小了發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離，提高了效率[7]。

然后研究了兩個接收端對傳輸效率的影響。由于發(fā)射線圈所建立磁場的方向并不是指向單一的方向，為改善效率，考慮在前后各放置一個接收線圈，接收線圈1和接收線圈2，兩個接收線圈使用相同的負(fù)載，如圖4所示。

圖4　兩個接收端的傳輸系統(tǒng)

為了確保磁耦合共振，發(fā)射線圈和兩個接收線圈的電感、尺寸、材料等參數(shù)保持不變。實驗時保持發(fā)射線圈固定，同時移動兩個接收線圈以保持接收線圈1和接收線圈2與發(fā)射線圈的距離相等。

如圖5所示，隨著兩個接收線圈與發(fā)射線圈距離越來越遠(yuǎn)，兩種系統(tǒng)傳輸效率均逐漸下降。但兩個接收端系統(tǒng)的傳輸效率要比一個接收端的效率高。因此增加了一個接收端實際提高了發(fā)射線圈能量的利用率。

圖5　兩個接收端對傳輸效率的影響

最后研究了隔磁片對傳輸效率的影響。隔磁片是一種具有較高導(dǎo)磁性能的磁性片，能高度聚集磁通Φ值，防止磁能量在空氣或其他物體上傳導(dǎo)發(fā)生能量損失[10]，起到隔磁、磁屏蔽、增加電感，從而提高充電效率，降低充電器發(fā)熱量的作用。實驗中采用硬質(zhì)錳鋅鐵氧體隔磁片，分別將隔磁片貼附在發(fā)射線圈和接收線圈的背面，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6　隔磁片對傳輸效率的影響

從圖中可以看出，當(dāng)接收線圈貼附隔磁片時傳輸效率最高，其與原系統(tǒng)相比效率提升效果明顯。而給發(fā)射線圈貼附隔磁片傳輸效率最低。因此在實際使用時應(yīng)將隔磁片貼附在接收線圈一面，至于貼附在發(fā)射線圈一面?zhèn)鬏斝式档?，原因尚待研究?/p>

3　討論

本實驗中搭建系統(tǒng)的等效電路模型如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)等效電路模型

其中，VS為等效交流源，C1、C2為諧振電容，L1、L2為線圈電感，R1、R2為線圈內(nèi)阻，RS為電源內(nèi)阻，M為兩線圈的互感，RL為等效負(fù)載電阻，i1、i2為回路電流。由圖中電流方向列寫KVL方程有：

則系統(tǒng)發(fā)射功率、接收功率以及傳輸效率分別為：

在這里，兩線圈之間的互感 M為[13]：

其中μ0為真空磁導(dǎo)率，μn為磁導(dǎo)率，N1、N2為發(fā)射與接收線圈匝數(shù)，r1、r2為兩個線圈的半徑，D為發(fā)射與接收線圈之間的距離。從上式中可以看出，隨著傳輸距離D逐漸增大，互感M逐漸減小使得耦合系數(shù)k也逐漸減小。并且對η關(guān)于k求導(dǎo)得：

而對于多接收端的情況，兩個接收端時系統(tǒng)的傳輸效率要高于一個接收端。這主要是因為兩個接收端同時工作時，在一定傳輸距離情況下，接收端所鉸鏈的總磁通比單個接收端工作時要大，更有效地利用了發(fā)射端所激發(fā)的磁場，所以多接收端同時工作時其總傳輸效率要比單個接收端工作時大[12]。

接收線圈附加隔磁材料增大了系統(tǒng)的傳輸效率可由式(8)來解釋。當(dāng)線圈不加隔磁材料時，μn=1；當(dāng)線圈加隔磁材料時，μn＞1使得互感M增大提高耦合系數(shù)k進(jìn)而調(diào)高了系統(tǒng)的傳輸效率。

4　結(jié)論和展望

增強線圈、多接收端、隔磁材料對磁耦合諧振傳輸影響的研究表明，優(yōu)化的設(shè)計能提高傳輸?shù)木嚯x和效率。這對于以后設(shè)計磁耦合諧振傳輸與設(shè)計應(yīng)用具有一定的使用價值。

此外，本文目前僅僅研究了磁耦合諧振無線能量傳輸中小功率、低頻的情況。進(jìn)一步微納傳感器無線供電方面研究可望在高頻、中等功率情況下提高傳輸距離、傳輸效率以及電能的收集等問題上取得突破。

[1]杜秀.磁諧振耦合無線能量傳輸機(jī)理及實驗裝置研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[2]GREEN A W，BOYS J T.10 kHz inductively coupled power transfer-concept and control[C].Proceeding of fifth international conference on power electronics and variable-speed drives，1994：694-699.

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[4]汽車電子.AKASOL公司推出感應(yīng)充電系統(tǒng)[EB/OL]. http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0809/article_7670.html，2013-08-09/2015-09-03.

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Optimization of magnetically coupled resonant wireless power transmission system

Hu Jinde1，Zhang Xiaoqiang2，Zhang Wei1，3
(1.College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China；2.Nanjing Crown Sensor Technology Co.，Ltd，Nanjing 211100，China；3.College of Chemical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China)

Wireless power recharging has widely application in the electric vehicle and wireless sensor network system.To improve the efficiency of wireless power recharging is the core of wireless energy applications.In order to enhance the transmission efficiency of magnetically coupled resonant wireless power transmission system,we have investigated the effects of enhanced coil(or relay coil),multiple receivers and magnetic shield slice on the efficiency of transmission of system.By optimum design of a system including an enhanced coil,multiple receivers,and adding a magnetic shield slice on the side of the

coil can highly improve the transmission efficiency of magnetically coupled resonant wireless power transmission system.The efficiency of the new and optimized system has a 17%increasing in the efficiency,in comparison with individual original component.

wireless power transmission；enhanced coil；multiple receivers；magnetic shield slice

TM154

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.036

2015-12-26)

胡金德(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線能量傳輸。

章偉(1961-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：高性能傳感器在傳感網(wǎng)中的應(yīng)用，E-mail：zhangw@njtech.edu.cn。

中文引用格式：胡金德，張小強，章偉.磁耦合諧振式無線電能傳輸效率的最優(yōu)化研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (5)：131-134.

英文引用格式：Hu Jinde，Zhang Xiaoqiang，Zhang Wei.Optimization of magnetically coupled resonant wireless power transmission system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：131-134.