磁諧振無(wú)線輸電系統(tǒng)不同補(bǔ)償方式的傳輸特性

吝伶艷 方成剛 宋建成 張文杰

摘 ?要：在無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域，如何根據(jù)傳輸距離和負(fù)載要求獲得最佳輸出功率和傳輸效率是首要研究目標(biāo)。從系統(tǒng)的諧振補(bǔ)償方式角度入手，應(yīng)用互感耦合理論對(duì)磁諧振無(wú)線輸電系統(tǒng)中串-串和串-并兩種補(bǔ)償方式的傳輸特性進(jìn)行了研究。首先，根據(jù)理論推導(dǎo)對(duì)兩種諧振補(bǔ)償方式的傳輸特性隨系統(tǒng)參數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行了仿真分析。然后，將兩種補(bǔ)償方式在不同負(fù)載和傳輸距離條件下的傳輸特性進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明：根據(jù)不同負(fù)載大小和傳輸距離要求，選擇合適的諧振補(bǔ)償方式可使系統(tǒng)具有最佳的輸出功率和傳輸效率。最后設(shè)計(jì)制作了一套磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了研究結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸;磁耦合諧振;傳輸特性;串-串補(bǔ)償;串-并補(bǔ)償

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫）

中圖分類號(hào)：TM 154文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-449X（2017）00-0000-00（編輯填寫）

Abstract：In the field of wireless power transfer， the optimal output power and transmission efficiency are the primary research target according to the requirements of transmission distance and load. The theory of mutual inductance was used to carry out the research on the transmission characteristics of series-series andseries-parallel compensation methods.First， simulation was conducted to find the relations between transmission characteristics and the system parametersbased on the theory analysis. And then， the transmission characteristics of the two compensation methods under different loads and transmission distances were compared. The research results show that the system has optimal output power and transmission efficiency by choosing the appropriate compensation method according to the different requirements of loads and transmission distances. Finally， a set of magnetic coupling resonance wireless power transfer system was designed and a series of experiments were done in the system to verify the correctness of the research results.

Keywords： wireless power transfer; magnetic coupling resonance; transmission characteristics; series-series compensation; series-parallel compensation;

0 引言

無(wú)線電能傳輸 （wireless power transfer，WPT）是指借助電磁場(chǎng)、微波、超聲波[1]等傳能介質(zhì)實(shí)現(xiàn)供電電源到用電負(fù)載的無(wú)直接電氣接觸的能量傳輸方式。無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展將使用電設(shè)備徹底擺脫電纜電線的束縛，從而為人們的生產(chǎn)生活提供極大的便利。目前，實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)主要包括微波輻射式 （microwave radiation，MWR-WPT）、電磁感應(yīng)耦合式 （electromagnetic induction coupling，EMIC-WPT） 以及磁耦合諧振式 （magnetic coupling resonance，MCR-WPT） 三種。其中，MWR-WPT傳輸效率較低，且在能量的定點(diǎn)傳輸過(guò)程中受障礙物影響較大、產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)生物體具有一定的危害;EMIC-WPT的輸出功率較大，但作為強(qiáng)耦合系統(tǒng)，傳輸距離受到較大限制。2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了基于磁耦合諧振原理的無(wú)線電能傳輸方法[2]。該方法通過(guò)對(duì)能量傳輸線圈進(jìn)行諧振補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離和較高效率的無(wú)線電能傳輸。因而，MCR-WPT分別彌補(bǔ)了MWR-WPT和EMIC-WPT兩種無(wú)線電能傳輸方法傳輸效率低和傳輸距離小的不足。這種新型無(wú)線電能傳輸方法的提出也掀起了無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究熱潮[3-5]。

MCR-WPT系統(tǒng)屬于一種多參數(shù)相互交叉耦合的非線性系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中的某些參數(shù)如負(fù)載、傳輸距離等發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)的傳輸特性會(huì)受到嚴(yán)重影響。為了提高系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率，目前已有很多文獻(xiàn)提出頻率跟蹤、DC-DC負(fù)載變換及LC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[6-11]等解決方案。但在有些應(yīng)用中，考慮到系統(tǒng)的成本及附加結(jié)構(gòu)的額外損耗，供電系統(tǒng)需要在滿足輸出功率和傳輸效率的條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)化。因此，從能量耦合機(jī)構(gòu)角度出發(fā)，研究傳輸線圈的諧振補(bǔ)償方式對(duì)系統(tǒng)傳輸特性的影響具有重要意義。根據(jù)傳輸線圈發(fā)射、接收端諧振補(bǔ)償方式的不同，MCR-WPT系統(tǒng)有串-串（SS），串-并（SP），并-串（PS）和并-并（PP）四種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[12-13]。本文選取了SS和SP兩種諧振補(bǔ)償方法進(jìn)行了系統(tǒng)傳輸特性的研究，并根據(jù)負(fù)載大小和傳輸距離要求指出兩種補(bǔ)償方式的適用場(chǎng)合。文中最后開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而為實(shí)際應(yīng)用中如何選擇合適的諧振補(bǔ)償方式提供相關(guān)參考。

1 磁諧振無(wú)線輸電系統(tǒng)的模型

MCR-WPT系統(tǒng)作為EMIC-WPT系統(tǒng)的一種特例，同樣是以磁場(chǎng)作為能量傳輸媒介。圖1為典型的MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)主要包括高頻電源、諧振線圈和負(fù)載三個(gè)部分。

從圖3中可以看出，固定耦合系數(shù)k=0.05時(shí)，SS結(jié)構(gòu)的輸出功率和傳輸效率在f=160kHz時(shí)達(dá)到最大，此頻率即為系統(tǒng)的諧振頻率[16]。當(dāng)工作頻率為諧振頻率時(shí)，分別存在最佳負(fù)載使得輸出功率和傳輸效率達(dá)到最大值;當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)[17]，系統(tǒng)的輸出功率和效率會(huì)有所下降，且輸出功率對(duì)于系統(tǒng)工作頻率的變化較為敏感[18]。

從圖6中可以看出，固定耦合系數(shù)k=0.05時(shí)，SP補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與SS補(bǔ)償結(jié)構(gòu)類似：當(dāng)工作頻率為諧振頻率時(shí)，分別存在最佳負(fù)載使得輸出功率和傳輸效率達(dá)到最大值;當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率會(huì)有所下降。兩種補(bǔ)償方式的不同點(diǎn)在于諧振頻率下SP結(jié)構(gòu)的最佳負(fù)載要比SS結(jié)構(gòu)的最佳負(fù)載大。

從圖7中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振頻率時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率隨著耦合系數(shù)的增加而變大，對(duì)負(fù)載變化不敏感。對(duì)于不同負(fù)載，系統(tǒng)具有相匹配的耦合系數(shù)使得輸出功率達(dá)到最大，且負(fù)載越大，耦合系數(shù)越小，即傳輸距離越大。

類似于SS補(bǔ)償方式，為了更清楚的觀察SP結(jié)構(gòu)的傳輸特性，本文研究了系統(tǒng)在固定耦合系數(shù)k=0.05時(shí)，輸出功率和傳輸效率在不同負(fù)載下隨頻率的變化關(guān)系，其結(jié)果如圖8所示：

從圖8中可以看出，在耦合系數(shù)k=0.05的條件下，當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)，SP補(bǔ)償方式的輸出功率在RL=300Ω時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)負(fù)載變大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，且負(fù)載越大頻率分裂越明顯。此外，在不考慮出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象的負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)在RL=1000Ω時(shí)具有最大的傳輸效率。因此，綜合考慮不同負(fù)載下的輸出功率和傳輸效率，本文所研究的SP補(bǔ)償方式更適合于RL=300Ω的負(fù)載。

2.3 SS與SP補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析

通過(guò)上述分析可知，系統(tǒng)的工作頻率f、耦合系數(shù)k及負(fù)載RL對(duì)SS和SP兩種諧振補(bǔ)償方式的輸出功率和傳輸效率具有類似的影響規(guī)律，但在負(fù)載能力和頻率分裂現(xiàn)象方面兩種結(jié)構(gòu)又具有不同的變化趨勢(shì)[23]。為了進(jìn)一步分析比較兩種諧振補(bǔ)償方式的應(yīng)用特點(diǎn)，本文接下來(lái)考慮當(dāng)負(fù)載和耦合系數(shù)在可控范圍內(nèi)時(shí)，SS和SP兩種補(bǔ)償拓?fù)涞膫鬏斕匦浴D9所示為當(dāng)固定負(fù)載RL=30Ω時(shí)，SS和SP的輸出功率隨耦合系數(shù)和頻率的變化關(guān)系：

從圖9中可以看出，當(dāng)負(fù)載RL=30Ω時(shí)，SS補(bǔ)償方式在較小的耦合系數(shù)下即傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)具有較大的輸出功率;而SP補(bǔ)償方式在較大的耦合系數(shù)下即傳輸距離較近時(shí)具有比SS更大的輸出功率。但是，當(dāng)傳輸距離較近時(shí)，SP補(bǔ)償方式滿足最大輸出功率所對(duì)應(yīng)的工作頻率點(diǎn)偏離了系統(tǒng)原來(lái)的諧振頻率。這是由于SP補(bǔ)償方式在耦合系數(shù)較大時(shí)，其接收線圈在發(fā)射線圈側(cè)的反射電抗嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的諧振頻率點(diǎn)[24]。因此，當(dāng)RL=30Ω且傳輸距離較近時(shí)，可采用SP補(bǔ)償方式，通過(guò)微調(diào)系統(tǒng)工作頻率使得系統(tǒng)具有較大的輸出功率。

為了更準(zhǔn)確的定位兩種補(bǔ)償方式的適用場(chǎng)合，本文分別選取RL=30Ω、300Ω，耦合系數(shù)k=0.05、0.15，研究了SS和SP的傳輸特性。圖10所示為兩種結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載、耦合系數(shù)組合下的輸出功率。

由圖10可看出，諧振頻率下SS在RL=30Ω、k=0.05和RL=300Ω、k=0.15兩種情況下具有較大的輸出功率，SP在RL=300Ω、k=0.05時(shí)具有較大的輸出功率。當(dāng)RL=30Ω、k =0.15時(shí)，通過(guò)微調(diào)系統(tǒng)工作頻率可使SP結(jié)構(gòu)具有較大的輸出功率。

由此可知，選擇合適的SS和SP補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在不同的負(fù)載和耦合系數(shù)場(chǎng)合下使系統(tǒng)輸出最佳的功率。同時(shí)考慮到系統(tǒng)傳輸效率，將SS和SP結(jié)構(gòu)在最佳輸出功率時(shí)的負(fù)載和耦合系數(shù)組合參數(shù)進(jìn)行對(duì)比得到圖11所示結(jié)果：

由圖11可看出，在不同的負(fù)載和耦合系數(shù)下，當(dāng)選擇合適的諧振補(bǔ)償方式使系統(tǒng)輸出功率最佳時(shí)，同時(shí)也具有最佳的傳輸效率。根據(jù)互感關(guān)系表達(dá)式（1）計(jì)算得出本文所采用的線圈結(jié)構(gòu)在耦合系數(shù)k=0.05、0.15時(shí)所對(duì)應(yīng)的理論傳輸距離分別為30.8cm、21.4cm。因此，本文中當(dāng)負(fù)載和傳輸距離在可控范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，可按表2所示選擇合適的諧振補(bǔ)償方式使得系統(tǒng)具有最佳的輸出功率和傳輸效率：

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證以上分析所得結(jié)論的正確性，本文開發(fā)了一套磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，并在不同負(fù)載和傳輸距離的條件下，對(duì)SS和SP兩種諧振補(bǔ)償方式的輸出功率和傳輸效率進(jìn)行了比較。如圖12（a）所示為磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖12（b）所示為發(fā)射線圈端的輸入電壓和電流波形。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量負(fù)載兩端的電壓和發(fā)射線圈端的輸入功率計(jì)算得出系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率。其中SP補(bǔ)償結(jié)構(gòu)在傳輸距離減小時(shí)，通過(guò)微調(diào)工作頻率使系統(tǒng)工作在負(fù)載電壓最大時(shí)的頻率點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

從圖13可以看出，當(dāng)RL=30Ω時(shí)，SS結(jié)構(gòu)在D=22cm ，SP結(jié)構(gòu)在D=12cm時(shí)輸出功率達(dá)到最大，此時(shí)的效率約為50%。當(dāng)RL=300Ω時(shí)，SS結(jié)構(gòu)在D=12cm ，SP結(jié)構(gòu)在D=22cm時(shí)輸出功率達(dá)到最大，此時(shí)的效率約為50%。SS結(jié)構(gòu)在RL=30Ω，D=20cm;RL=300Ω，D=10cm時(shí)具有較高的輸出功率和傳輸效率。而SP結(jié)構(gòu)在RL=30Ω，D=10cm;RL=300Ω，D=20cm時(shí)具有較高的輸出功率和傳輸效率。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文分析所得結(jié)論一致。

4結(jié)論

本文應(yīng)用互感耦合理論對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)的SS和SP補(bǔ)償方式進(jìn)行了理論建模和仿真分析，同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1） 當(dāng)系統(tǒng)的耦合系數(shù)較小時(shí)，SS諧振補(bǔ)償方式更適合小負(fù)載系統(tǒng)，而SP諧振補(bǔ)償方式適合較大負(fù)載的系統(tǒng)。

2） 諧振頻率下，當(dāng)系統(tǒng)的耦合系數(shù)較大時(shí)，兩種補(bǔ)償方式的傳輸效率較大，且效率對(duì)于負(fù)載大小變化不明顯。

3） SS和SP諧振補(bǔ)償方式在固定耦合系數(shù)下存在最佳負(fù)載使得系統(tǒng)具有最佳輸出功率和傳輸效率。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)SS出現(xiàn)頻率分裂，且負(fù)載越小頻率分裂越明顯，SP的變化趨勢(shì)則正好相反。

4） 當(dāng)負(fù)載和傳輸距離可控時(shí)，SS和SP具有不同的適用場(chǎng)合使得系統(tǒng)具有最佳的輸出功率和傳輸效率。

參 考 文 獻(xiàn)：

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