磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)特性研究

萬鈞力 陳 磊

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002)

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)特性研究

萬鈞力 陳 磊

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002)

在設(shè)計磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)時，其參數(shù)選擇對系統(tǒng)傳輸性能至關(guān)重要．對發(fā)射與接收端都采用串聯(lián)電路模型來分析其傳輸特性，得出系統(tǒng)頻率、傳輸距離和負載電阻與傳輸功率及傳輸效率的關(guān)系方程．通過仿真發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的改變對傳輸功率的作用更為顯著，不同的負載電阻對應(yīng)一個最佳傳輸距離使得傳輸功率最大．基于NE555多諧振蕩器設(shè)計了一套頻率可調(diào)的無線電能傳輸裝置，通過實驗驗證了仿真分析的合理性，研究結(jié)果可指導(dǎo)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)選擇合適的頻率、傳輸距離及負載電阻，使得傳輸性能較優(yōu)．

磁耦合諧振； 無線電能傳輸； 傳輸特性； 諧振頻率

無線電能傳輸技術(shù)起源較晚，最早在1889年由美國著名發(fā)明家尼古拉特斯拉提出，是一種借助空間電場、磁場、微波等介質(zhì)實現(xiàn)將電能傳輸?shù)哪Ｊ剑鶕?jù)無線電能傳輸原理，主要分為電磁感應(yīng)式、磁諧振耦和式和微波輻射式[1]．

無線電能傳輸技術(shù)近年來發(fā)展迅速，2007年美國MIT物理研究小組開創(chuàng)了無線電能傳輸技術(shù)的新天地，他們利用磁耦合諧振原理，實現(xiàn)電能的高效傳輸，在2 m開外的距離點亮了一盞60 W的電燈，傳輸效率接近40%[2]，且在距離1 m時的效率高達80%．磁耦合諧振式基于近場諧振強磁耦合的概念，其基本原理是兩個具有相同諧振頻率的線圈之間能夠?qū)崿F(xiàn)能量的高效傳輸，而非諧振線圈之間的能量傳輸效率不高[3]．磁耦合諧振式無線電能傳輸與傳統(tǒng)的無線電能傳輸技術(shù)有本質(zhì)上的區(qū)別：1)利用兩個或多個具有相同自諧振頻率的電磁線圈耦合作用產(chǎn)生電磁共振，高頻能量被高效轉(zhuǎn)換，大部分被負載吸收，傳輸效率和距離大大提高；2)諧振線圈的共振波長遠大于傳輸裝置的尺寸，能量的傳輸幾乎不受近場金屬物體的影響，也不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響[4]．

針對串聯(lián)型磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)，選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)可得到最優(yōu)的傳輸性能．采用等效電路模型[5]，建立傳輸功率及傳輸效率與其影響因素之間的關(guān)系方程，固定單個或多個變量，通過仿真分析其變化規(guī)律．并基于NE555多諧振蕩器設(shè)計了一套頻率可調(diào)的無線電能傳輸裝置，進行實驗得出頻率對傳輸功率和傳輸效率的變化關(guān)系，并與仿真結(jié)果作對比分析．

1 磁耦合諧振理論分析

1.1 磁耦合諧振工作原理

磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)膬蓚€線圈首先進行電磁耦合，再達到共振，從而使整個電路回路的自阻抗最小，這樣能量能夠集中傳輸而幾乎不受其他物體的影響[6]．圖1為無線電能傳輸過程，接收線圈與發(fā)射線圈有著相同的諧振頻率，電網(wǎng)交流電通過整流濾波、高頻逆變后再變?yōu)榈蛪航涣麟?，由諧振補償電路激發(fā)發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場，與發(fā)射線圈具有相同參數(shù)的接收線圈進入磁場時，兩個線圈產(chǎn)生耦合共振現(xiàn)象，從而實現(xiàn)整個能量的集中傳輸．

圖1 無線電能傳輸過程圖

1.2 傳輸系統(tǒng)模型的建立

無線電能傳輸系統(tǒng)負載部分分為純電阻負載、感性負載和容性負載，它們對于傳輸系統(tǒng)的影響規(guī)律大致相同，為便于分析計算，本文只是對于純電阻負載進行分析研究．實驗采用的電源電壓及負載電阻都較小，所以對于發(fā)射和接收回路都采用串聯(lián)諧振電路，即串-串式等效電路．只針對發(fā)生共振的兩個線圈進行分析，并且在高頻下，空心線圈存在雜散電容和雜散電阻[7]，系統(tǒng)傳輸?shù)牡刃щ娐纺Ｐ腿鐖D2所示．其中US為發(fā)射電路電壓源，RS、RD、CS、CD分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻和匹配電容，LS和LD為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電感，M為兩線圈間的互感，D是線圈間距，負載為RL，發(fā)射回路和接收回路電流分別是iS和iD．

圖2 無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路模型

設(shè)ω是系統(tǒng)角頻率，發(fā)射接收回路的等效阻抗為：

由KVL回路方程可求出兩線圈電流iS、iD為：

由式(1)和式(2)可得輸入功率PS和傳輸功率PO為：

則線圈之間的傳輸效率η為：

對于發(fā)射和接收線圈，應(yīng)保持其形狀參數(shù)都相同，即LS=LD=L，RS=RD=R．對于空間螺旋狀空心線圈，利用諾依曼公式計算其空間互感[8]，兩線圈之間的互感近似為：

其中μ0為真空磁導(dǎo)率，NS和ND分別為發(fā)射線圈和接收線圈匝數(shù)，rS和rD分別為發(fā)射線圈和接收線圈半徑，D為傳輸距離．角頻率ω=2πf，f為系統(tǒng)頻率．

對于電源電源US、線圈參數(shù)以及RL等參數(shù)確定的無線電能傳輸系統(tǒng)，當系統(tǒng)頻率f變化時，PO和η也會相應(yīng)發(fā)生變化．兩個線圈的頻率達到一致時，得到最大傳輸功率．

由式(3)，式(4)和式(5)可得：傳輸功率PO和傳輸效率η都與系統(tǒng)頻率f、傳輸距離D、負載電阻RL有關(guān)，那么PO和η可寫成與f、D和RL有關(guān)的函數(shù)形式，即PO=H(f，D，RL)，η=G(f，D，RL)．

2 電路仿真

傳輸功率和傳輸效率含有較多變量，直接求解方程比較困難，也不能直觀地反應(yīng)其隨頻率、距離和負載電阻的變化趨勢．固定一個或兩個變量，減少方程的維數(shù)，再通過Matlab函數(shù)繪圖得到其變化規(guī)律．線圈電阻包括自身電阻和雜散電阻[9]，雜散電阻遠遠小于自身電阻，這里只考慮自身電阻，則線圈等效電阻

2.1f、D對PO和η的影響規(guī)律

現(xiàn)保持負載電阻RL=50 Ω不變，分別研究f、D與PO和η的關(guān)系，即PO=H(f，D)，η=G(f，D)．繪制三維圖更直觀地得到η、PO隨f和D的變化關(guān)系，如圖3～4所示．

圖3 傳輸功率隨頻率和傳輸距離的變化關(guān)系

圖4 傳輸效率隨頻率和傳輸距離的變化關(guān)系

從圖3可以看出在RL保持在50 Ω時，傳輸功率最大點對應(yīng)頻率f=120 kHz．此時，頻率對傳輸功率的影響比傳輸距離更加明顯．在傳輸距離D=2 cm左右時，保持頻率在50～150 kHz范圍內(nèi)能得到較高傳輸功率．由圖4可知，傳輸效率的大小隨傳輸距離的變化更為敏感，頻率的變化幾乎不會影響傳輸效率．

再保持系統(tǒng)頻率f=120 kHz，分別設(shè)置RL=50，100，200 Ω，觀察PO、η隨D的變化曲線．

圖5 傳輸功率隨傳輸距離的變化曲線 圖6 傳輸效率隨傳輸距離的變化曲線

由圖5可以明顯看出隨著傳輸距離的增大，傳輸功率先增大再減小，當負載電阻RL=50 Ω時，在D=5 cm時達到最大．而在傳輸距離很近時，互感隨距離的減小而增大，阻抗匹配嚴重失調(diào)[10-11]，系統(tǒng)的諧振頻率不再是120 kHz，負載不能得到很好的匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸功率減?。畟鬏敼β蔬_到最大時，不同的負載電阻對應(yīng)的傳輸距離不同，所以對于不同的負載系統(tǒng)，要想獲得最大傳輸功率，可以通過調(diào)整傳輸距離來實現(xiàn)．

圖6中，傳輸效率隨傳輸距離增大而減小，在3～7 cm范圍內(nèi)變化明顯，RL=50 Ω時，傳輸功率最大時對應(yīng)的傳輸效率η=40%，此時說明在D=5 cm時使負載電阻達到最優(yōu)匹配．諧振狀態(tài)時系統(tǒng)有最大傳輸功率，而傳輸效率并未達到最大，可以參考負載所需功率大小，選擇合適的頻率及線圈距離使負載的傳輸功率和傳輸效率達到最優(yōu)匹配．

2.2f、RL對PO及η的影響規(guī)律

現(xiàn)保持傳輸距離D=5 cm，來研究f、RL對PO及η影響．如圖7～8所示．從圖7～8同樣可以看出頻率對傳輸功率和傳輸效率的影響是較為顯著的，傳輸功率最大時對應(yīng)頻率f=120 kHz左右，該頻率即為系統(tǒng)的諧振頻率，且負載電阻在0～50 Ω范圍內(nèi)變化時，對傳輸功率影響較大．此時傳輸效率幾乎不受負載電阻的影響，主要取決于頻率的變化，隨頻率增加而增大．

圖7 傳輸功率隨頻率和負載電阻的變化關(guān)系

圖8 傳輸效率隨頻率和負載電阻的變化關(guān)系

保持負載電阻RL=50 Ω，繼續(xù)觀察頻率對傳輸功率和傳輸效率的變化規(guī)律，圖9，圖10分別為傳輸功率和傳輸效率隨頻率的變化曲線．由圖9可看出傳輸功率隨頻率的增大而劇烈增加，再快速減小趨于穩(wěn)定，頻率f=120 kHz左右時線圈諧振，傳輸功率最大，前面計算得到線圈的自諧振頻率為122 kHz，與之很接近，這是由于系統(tǒng)諧振時的線圈互感比自感小，使得互感對其諧振頻率影響較?。攆>200 kHz，傳輸功率趨于平緩．由圖10可看出當系統(tǒng)諧振時，傳輸功率增加最為明顯，隨著頻率的增加，傳輸效率也不斷增加．

圖9 傳輸功率隨頻率的變化曲線 圖10 傳輸效率隨頻率的變化曲線

在設(shè)計磁耦合諧振無線電能傳輸裝置時，保持傳輸距離在5 cm左右，滿足工作頻率在80～150 kHz，負載電阻在0～50 Ω之間，系統(tǒng)能夠良好工作，達到較大傳輸功率和一定的傳輸效率．

3 電路實驗分析

針對以上仿真分析，設(shè)計了一套磁耦合諧振無線電能傳輸裝置，發(fā)射端電路圖如圖11所示．

圖11 發(fā)射端電路圖

其中NE555與兩個電位器構(gòu)成多諧振蕩器，其頻率可調(diào)，頻率調(diào)節(jié)范圍在10～200 kHz之間．直流電源VCC為12 V．接收電路由接收線圈、整流電路、穩(wěn)壓電容等構(gòu)成，其中整流電路為全橋整流．圖12為無線電能傳輸裝置實物圖．

圖12 無線電能傳輸裝置

發(fā)射線圈及接收線圈部分參數(shù)見表1．

表1 發(fā)射、接收線圈參數(shù)

實驗中的負載電阻RL=50 Ω，固定傳輸距離D=5 cm，之前仿真得到該條件下的最佳頻率f=120 kHz，所以將f=120 kHz作為基準值，傳輸功率和傳輸效率的基準值也取該頻率下與之對應(yīng)的基準值．改變系統(tǒng)頻率，記錄發(fā)射線圈電壓電流，由PS=UI計算得到輸入功率，同時記錄負載電壓電流，得到傳輸功率，由此計算得到傳輸效率．

表2 RL=50 Ω，D=5 cm時，傳輸功率和效率的實驗值

從表2可以看出，傳輸功率的實驗值先增大后減小，同樣在頻率f=120 kHz達到最大值；傳輸效率隨頻率的增加而增大．對上述頻率所對應(yīng)傳輸功率和傳輸效率的仿真值進行標幺化，然后將標幺化后的仿真值與實驗值進行對比，并作圖觀察其變化規(guī)律．

表3 RL=50 Ω，D=5 cm時，傳輸功率和效率的標幺值

作圖發(fā)現(xiàn)實驗值與仿真值變化趨勢基本一致，但還是有些差別，這是因為在近距離條件下互感較大，產(chǎn)生了一定的誤差，而且電路本身還有其他因素影響，如雜散電容，線圈繞制不規(guī)則等．圖13～14共同說明系統(tǒng)頻率達到線圈自諧振頻率時，得到最大傳輸功率，傳輸功率比傳輸效率更易受頻率的影響．

圖13 傳輸功率的實驗、仿真對比曲線 圖14 傳輸效率的實驗、仿真對比曲線

4 結(jié) 論

本文對磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸性能進行了理論仿真分析，并通過電路實驗驗證了仿真分析的正確性．主要結(jié)論如下：

1)根據(jù)串聯(lián)電路模型，得出磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率、效率的關(guān)系方程．通過仿真分析了頻率、傳輸距離和負載電阻對傳輸功率和傳輸效率的作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)頻率對傳輸功率的作用更加顯著．

2)固定諧振頻率后，不同的負載電阻對應(yīng)一個最佳的傳輸距離，使得傳輸功率最大，在負載增大時，應(yīng)縮小傳輸距離使系統(tǒng)達到最優(yōu)匹配．

3)對比實驗和仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)諧振點時，傳輸功率達到最大．頻率對傳輸功率影響很大，使線圈頻率達到諧振頻率，可使傳輸功率最大．綜合選擇系統(tǒng)參數(shù)，達到最優(yōu)的傳輸功率及傳輸效率．

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[責任編輯 張 莉]

Research on Characteristics of Magnetic Coupling Resonance Wireless Power Transfer System

Wan Junli Chen Lei

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy，China Three Gorges Univ., Yichang 443002，China)

When designing magnetic coupling resonance wireless power transfer system，the parameter selection is very important to the transmission performance of system. Based on that, the relationship between the system frequency, distance from the coil and load resistance including the transmission power and transmission efficiency is obtained. Simulation results show that the changes of the system frequency will obviously affect the transmission power; there is a best transmission distance for the different load resistances to get maximum transmission power. A wireless power transmission device is designed based on the NE555, for which the frequency can be adjusted. The experiment proves the rationality of the simulation analysis.The results can guide to select the appropriate frequency, coil distance and load resistance of the magnetic coupling resonance wireless power transfer system so as to get the better transmission performance.

magnetic coupling resonance; wireless power transfer; transmission characteristics; resonant frequency

2017-01-04

湖北省自然科學基金(2010CDB10803)

萬鈞力(1957-)，男，教授，研究方向為現(xiàn)代檢測與控制技術(shù)、智能電網(wǎng)及智能信息處理．E-mail： wjl@ctgu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.015

TM724

A

1672-948X(2017)04-0071-05