200 W級(jí)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸頻率特性的研究

李亞楠，崔玉龍，范好亮，劉會(huì)軍

（1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；3.河北長(zhǎng)孚電氣設(shè)備有限公司，保定071051）

200 W級(jí)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸頻率特性的研究

李亞楠1，崔玉龍2，范好亮3，劉會(huì)軍3

（1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；3.河北長(zhǎng)孚電氣設(shè)備有限公司，保定071051）

采用磁耦合諧振技術(shù)提供了一種新型無(wú)線電能傳輸方式，其安全、可靠、靈活的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。為進(jìn)一步擴(kuò)展無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)較大功率的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)是十分必要的?；诖⒔Y(jié)構(gòu)諧振電路等效模型，通過(guò)電路理論推導(dǎo)出補(bǔ)償電容、電壓增益、效率等表達(dá)式，應(yīng)用Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)的諧振頻率進(jìn)行了仿真分析，得出諧振頻率偏移對(duì)系統(tǒng)性能影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，傳輸距離為1～7 cm，該裝置負(fù)載端獲得功率可達(dá)200 W，最高傳輸效率為80%。

無(wú)線電能傳輸；諧振頻率偏移；磁耦合諧振

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)是一項(xiàng)新型充電技術(shù)，最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT的Marin Soljacic領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)依據(jù)耦合模理論在強(qiáng)耦合狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，在距離大于2 m時(shí)傳輸功率60 W，效率為40%［1］。磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)具有中等距離傳輸、一對(duì)多負(fù)載及非磁性異物干擾小等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用空間，諸如小型家電、體內(nèi)植入器件、工業(yè)機(jī)器人、電動(dòng)汽車、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域［3］，但電動(dòng)汽車和工業(yè)機(jī)器人都要求大功率能量的傳輸，所以研究大功率、高效率的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)會(huì)促進(jìn)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

文獻(xiàn)［2］說(shuō)明了發(fā)射端線圈電感參數(shù)的變化容易引起系統(tǒng)失諧，導(dǎo)致傳輸功率和效率下降，并研究了鎖相環(huán)跟蹤技術(shù)控制諧振頻率，保持頻率穩(wěn)定性。在無(wú)線充電過(guò)程中，線圈間傳輸距離、傳輸方向及負(fù)載的改變也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)諧振頻率的偏移，使系統(tǒng)失諧，傳輸性能也會(huì)因此下降［4］。因此需要系統(tǒng)具有頻率跟蹤的功能，使系統(tǒng)工作在功率因數(shù)接近1.0的諧振狀態(tài)，提高系統(tǒng)的傳輸性能。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)輸出功率在200 W級(jí)的磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，通過(guò)控制器進(jìn)行頻率跟蹤，保證系統(tǒng)工作頻率與諧振頻率一致；加入無(wú)線通訊模塊對(duì)使系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載端參數(shù)對(duì)發(fā)射端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使系統(tǒng)獲得較高的功率。

1 無(wú)線電能傳輸諧振系統(tǒng)等效模型

串并諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)刃щ娐纺Ｐ腿鐖D1所示。系統(tǒng)發(fā)射端輸入交流電壓U1，線圈電感L1和補(bǔ)償電容C1構(gòu)成發(fā)射側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)，線圈電感L2、補(bǔ)償電容C2和負(fù)載RL構(gòu)成接收側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)，R1和R2分別為兩側(cè)線圈內(nèi)阻，線圈間的互感為， k為耦合系數(shù)，0＜k＜1。

圖1 諧振電路等效模型Fig.1 Equivalent model of resonant circuit

根據(jù)電路理論，等效模型的KVL方程為

式中：I1和I2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的電流；w為諧振頻率；Z1和Z2分別為發(fā)射端和接收端阻抗，。

則發(fā)射端線圈電流I1為

接收端線圈電流I2為

一般系統(tǒng)工作頻率較高。為簡(jiǎn)化分析，忽略線圈內(nèi)阻R2，由式（2）可知，反射到發(fā)射端線圈的電阻抗Zf為

其中，反射阻抗的實(shí)部Rf為

反射阻抗的虛部Xf為

那么根據(jù)式（2）可得發(fā)射端電流為

則可求得負(fù)載端RL的吸收功率PL為

進(jìn)一步推導(dǎo)，接收端線圈感應(yīng)的開路電壓為

則負(fù)載端電壓U2表示為

電壓增益G表示為

傳輸效率η為

根據(jù)式（12）通過(guò)軟件Matlab進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)為：C1=C2=29.35 nF，R1=R2=0.1 Ω，RL=10 Ω，電源工作中心頻率f=120 kHz。

（1）線圈電感L1和L2分別變化時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)失諧對(duì)傳輸功率和效率的影響，如圖2所示。

由圖2可知，發(fā)射端線圈電感偏移±5 μH時(shí)，系統(tǒng)傳輸功率和效率急劇下降，而當(dāng)接收線圈的電感偏移大小相同時(shí)，傳輸功率和效率基本不變。因此發(fā)射端電感變化導(dǎo)致的系統(tǒng)失諧是影響系統(tǒng)傳輸性能關(guān)鍵因素之一。

圖2 電感變化對(duì)傳輸性能的影響Fig.2 Effect of inductance variation on transmission performance

（2）系統(tǒng)工作頻率偏離線圈諧振頻率時(shí)，對(duì)系統(tǒng)電壓增益和傳輸效率的影響，如圖3所示。

由圖3可知，在不同耦合系數(shù)下，電壓增益和傳輸效率曲線均在諧振頻率處獲得峰值，隨著耦合系數(shù)的增大，峰值也逐漸增加，偏離中心諧振頻率曲線急劇下降。所以系統(tǒng)保持工作頻率與線圈諧振頻率一致是獲得最佳傳輸性能的前提。

圖3 頻率變化對(duì)傳輸性能的影響Fig.3 Effect of transmission performance on frequency change

但當(dāng)耦合系數(shù)大于某一個(gè)值后，系統(tǒng)開始出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值，電壓增益或效率反而下降［6］。因此本文為避免頻率分裂發(fā)生，線圈間傳輸距離不應(yīng)過(guò)近。

2 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具體由工頻交流電源、整流斬波電路、高頻逆變器、諧振線圈、諧振補(bǔ)償電容器及無(wú)線通信接收模塊與控制器組成。發(fā)射端采用串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，接收端采用并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體框圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖Fig.4 Overall block diagram of wireless power transfer system

系統(tǒng)工作過(guò)程如下：由工頻交流電源供電，經(jīng)整流斬波電路變換為直流電，控制器獲取頻率信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變電路的MOSFET管開通和關(guān)斷，此時(shí)發(fā)射諧振線圈獲得所需的高頻交流電，能量通過(guò)諧振耦合磁場(chǎng)傳遞到接收端，經(jīng)整流濾波給負(fù)載供電。接收端采樣單元把檢測(cè)電壓、電流等參數(shù)經(jīng)無(wú)線通信模塊傳送到發(fā)射端的控制單元進(jìn)一步調(diào)節(jié)輸出電壓大小。

2.2 發(fā)射端電路設(shè)計(jì)

磁耦合諧振系統(tǒng)發(fā)射端電路設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。發(fā)射端電路包括主電路和控制電路兩部分。在主電路中采用全橋逆變電路，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控開關(guān)器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成，利用軟開關(guān)技術(shù)，在4個(gè)開關(guān)管上分別并聯(lián)吸收電容Cp1、Cp2、Cp3和Cp4，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流流經(jīng)并聯(lián)電容，限制的電壓上升率，從而滿足零電壓開關(guān)ZVS（zero voltage switch）條件。

圖5 發(fā)射端電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Circuit configuration diagram of the transmitter

本文開關(guān)管選擇單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件MOSFET，其開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率可達(dá)100 kHz以上。選取結(jié)電容較小的IRF840。

在逆變電路前加入DC/DC斬波環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管（如MOSFET）的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比改變輸入直流電壓Uin的大小，轉(zhuǎn)換為可調(diào)的直流電壓Udc，Udc送入全橋逆變器輸出高頻交流電，供給發(fā)射端LC諧振電路。為了使輸入控制PWM信號(hào)和輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖隔離，采用FOD3180作為驅(qū)動(dòng)芯片。

在控制電路部分，通過(guò)電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)射端線圈諧振電流I1，經(jīng)過(guò)零比較器獲得同頻率的方波信號(hào)，經(jīng)鎖相技術(shù)對(duì)頻率進(jìn)行鎖定，獲取諧振頻率采用值f1，基于此頻率輸出4個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)G1～G4，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)脈沖信號(hào)輸出4個(gè)控制脈沖UG1～UG4，來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管的開通與關(guān)斷，使開關(guān)頻率與LC諧振回路振蕩頻率一致，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤控制，保持系統(tǒng)的諧振狀態(tài)。

開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率也越大，為了滿足系統(tǒng)高工作頻率的需求，針對(duì)MOSTET設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)外圍電路如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)外圍電路原理Fig.6 Schematic diagram of the drive peripheral circuit

2.3 頻率跟蹤控制電路

采用集成鎖相環(huán)CD4046實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤，CD4046工作頻率小于112 MHz，電源電壓為5～15 V，是低功耗數(shù)字CMOS數(shù)字環(huán)。

鎖相環(huán)主要由相位比較器、低通濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成，組成框圖如圖7所示。

圖7 鎖相環(huán)組成框圖Fig.7 Block diagram of phase-locked loop

通過(guò)比較輸入信號(hào)頻率f1與壓控振蕩器輸出頻率f2之間的相位差，產(chǎn)生一個(gè)相位差的誤差電壓Ud（t），經(jīng)低通濾波器后得到一個(gè)平均電壓Uc（t），因此控制誤差電壓可使輸出電壓頻率f2變化至與f1相等，此時(shí)頻率為0，相差穩(wěn)定不變，此時(shí)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤。

2.4 接收端電路設(shè)計(jì)

無(wú)線電能接收端電路分別采用串聯(lián)和并聯(lián)電路進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 2種結(jié)構(gòu)的負(fù)載功率對(duì)比Fig.8 Load power contrast of two structures

從圖8可見，若負(fù)載端獲得相同的功率，串并諧振結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的互感要小于串串諧振結(jié)構(gòu)的互感，即串并結(jié)構(gòu)的傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)。所以采用串并拓?fù)湓O(shè)計(jì)接收端電路，如圖9所示。

圖9 接收端電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Circuit configuration diagram of the receiver

圖9整流環(huán)節(jié)采用橋式整流電路，相比于半橋整流輸出電壓脈動(dòng)較小，輸出平均電壓是半波整流的2倍，經(jīng)整流濾波電路，負(fù)載端輸出較平直的電壓UL。如果對(duì)負(fù)載端電壓精度要求高，還可以在整流濾波電路前加入DC/DC斬波電路，對(duì)電壓進(jìn)一步調(diào)節(jié)，若為交流負(fù)載，可加入DC/AC逆變電路為負(fù)載供電。

無(wú)線模塊經(jīng)藍(lán)牙進(jìn)行通訊，將負(fù)載端電壓和電流參數(shù)發(fā)送給發(fā)射端控制器，在控制器內(nèi)根據(jù)電壓電流設(shè)定值調(diào)節(jié)輸出的PWM脈沖寬度，獲取所需輸出電壓，因此本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真分析

在Matlab中搭建了磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的Simulink仿真模型，選取的仿真參數(shù)如表1所示。開關(guān)管Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)脈沖UG1和UG2及逆變輸出電壓和電流的波形如圖10所示。設(shè)發(fā)射端開關(guān)工作頻率在140 kHz，可以看出驅(qū)動(dòng)脈沖UG1和UG2的頻率相同，波形反向互補(bǔ)，發(fā)射端電壓與電流同相位，即驅(qū)動(dòng)頻率與諧振頻率一致，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了諧振。

MOS管Q1的電壓電流波形如圖11所示。由圖11可見，在Q1導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)開關(guān)管電流仍為0，Q1兩端的電壓鉗在0位，之后電流按正弦增大，在MOS管關(guān)斷時(shí)，電壓為0，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。所以保證開關(guān)的驅(qū)動(dòng)頻率與無(wú)線電能傳輸?shù)闹C振頻率一致，滿足ZCS/ZVS軟開關(guān)條件，降低損耗，與上述理論分析一致。

表1 選取的仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖10 脈沖及輸出電壓、電流波形Fig.10 Waveforms of pulse,output voltage and current

圖11 開關(guān)管Q1電壓、電流波形Fig.11 Waveforms of voltage and current of Q1

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

本文制作了一個(gè)諧振頻率142 kHz的無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，如圖12所示。

圖12 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Experimental platform

兩端線圈同軸放置，電感線圈均為矩形形狀，長(zhǎng)10.5 cm，寬14.5 cm。發(fā)射端電感線圈為10匝，電感25 μH，諧振電容50 nF；接收端電感線圈為3匝，電感10 μH，諧振電容125 nF。

由圖13可見，在線圈間距范圍為3～7 cm范圍內(nèi)，負(fù)載端功率均可達(dá)到200 W左右。

圖13 負(fù)載功率隨間距變化曲線Fig.13 Curve of load power with distance variation

實(shí)驗(yàn)中，輸入工頻交流電220 V，線圈間距為4 cm時(shí)，通過(guò)整流斬波電路，輸出直流電壓Udc為191 V，直流電流Idc為1.52 A，此時(shí)負(fù)載端電壓為41.25 V，電流5 A，即獲得功率為206.25 W，傳輸效率為71%。當(dāng)線圈間距為6 cm時(shí)，Udc為149 V，Idc為2.1 A，負(fù)載電壓穩(wěn)定在41.25 V，電流為5 A，傳輸效率為66%。所以調(diào)節(jié)發(fā)射端DC/DC環(huán)節(jié)可以控制負(fù)載端電壓值，保證負(fù)載充電電壓的穩(wěn)定，最終負(fù)載端獲取相所需負(fù)載功率。

逆變電路中同一橋臂上MOS管的驅(qū)動(dòng)脈沖波形如圖14所示，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率為140.467 kHz。從圖可以看出，驅(qū)動(dòng)波形比較穩(wěn)定，系統(tǒng)通過(guò)鎖相環(huán)頻率跟蹤，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管工作頻率與諧振頻率一致，滿足系統(tǒng)諧振狀態(tài)。

圖14 MOS管驅(qū)動(dòng)脈沖波形Fig.14 MOS driven pulse waveforms

逆變電路輸出電壓波形如圖15所示，圖（a）為頻率跟蹤諧振狀態(tài)下電壓波形；圖（b）為無(wú)頻率跟蹤時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率偏離諧振頻率的電壓波形。

圖15 發(fā)射端電壓波形Fig.15 Voltage waveforms of the transmitter

圖16分別為諧振狀態(tài)和偏離諧振狀態(tài)時(shí)經(jīng)接收端整流濾波后的電壓波形，電壓已變成比較穩(wěn)定的連續(xù)直流。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)圖形可知，加入頻率控制單元后，逆變輸出電壓和接收端整流電壓明顯大于非諧振狀態(tài)的對(duì)應(yīng)值。

圖16 接收端電壓波形Fig.16 Voltage waveforms of the receiver

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Matlab軟件對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)建模仿真，得出發(fā)射端電感變化引起系統(tǒng)頻率變化是影響系統(tǒng)傳輸功率關(guān)鍵因素之一；保證電源工作頻率和諧振頻率一致是高效傳能前提。因此基于鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率跟蹤控制，保持頻率的穩(wěn)定性，發(fā)射端和接收端通過(guò)無(wú)線模塊構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)負(fù)載端充電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)管和調(diào)節(jié)，最終設(shè)計(jì)了一套無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)傳輸距離在1～7 cm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)傳輸功率在200 W左右，傳輸效率最高可達(dá)80%。該系統(tǒng)具有較高的傳輸功率及穩(wěn)定性，但傳輸距離有待進(jìn)一步的提高。

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Research on Magnetic Resonant Coupling Wireless Power Transfer System

LI Yanan1,CUI Yulong2,FAN Haoliang3,LIU Huijun3
（1.School of Electrical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China; 2.College of Information Science and Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China; 3.Hebei Chang Fu Electric Equipment Co.,Ltd.,Baoding 0171051,China）

A new wireless power transfer method using magnetically coupled resonance technology is put forward, its secure,reliable,flexible features attract widespread attention.To further expand the applications of WPT,it is necessary to design a high power of wireless power transfer system.Based the series-parallel resonant circuit equivalent model,compensation capacitor,the voltage gain and efficiency expressions are deduced with circuit theory.The Matlab software is used in the simulation of the system's resonance frequency.The relationships between resonance frequency shift and system performance are obtained.Then,wireless power transfer experiment platform is designed,which is able to transfer 200 watts with 60%efficiency,when the distance is 4 cm.

wireless power transmission;resonant frequency offset;magnetic resonant coupling

李亞楠

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.3.133

：TM 131.4

：A

李亞楠（1990-），女，通信作者，碩士研究生，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)，E-mail：1240631449@qq.com。

崔玉龍（1967-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)及工業(yè)電氣自動(dòng)化與電力電子技術(shù)應(yīng)用，E-mail：hr5901391@163.com。

范好亮（1977-）， 男， 碩士， 研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)及電力電子技術(shù)應(yīng)用，E-mail：563413261@qq.com。

劉會(huì)軍（1978-），男，研究方向：無(wú)線電能傳輸技術(shù)及電力電子技術(shù)應(yīng)用，E-mail：283094062@qq.om。

2015-12-10