磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究

王友情, 張海燕, 齊 亮

1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院 上海 2013062.上海電氣富士電機(jī)電氣技術(shù)有限公司 上海 200070

隨著科技的發(fā)展,傳統(tǒng)有線電能傳輸方式逐漸體現(xiàn)出一些局限性,而超導(dǎo)技術(shù)對條件和材料的要求則比較高[1],相對而言,無線電能傳輸方式可以彌補(bǔ)上述不足。無線電能傳輸方式中,磁耦合諧振式無線電能傳輸功率大,效率高,距離遠(yuǎn),優(yōu)勢更加突出。目前,磁耦合諧振式無線電能傳輸有很多關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步研究,而這些關(guān)鍵技術(shù)的研究則決定了磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用前景。

1 無線電能傳輸分類

無線電能傳輸大致可以分為電磁波輻射式、電場耦合式、磁耦合式三種,其中,磁耦合式無線電能傳輸又可以分為電磁感應(yīng)式和磁耦合諧振式。

電磁波輻射式無線電能傳輸主要利用電磁波,如微波、光波、射線等傳遞能量,典型應(yīng)用包括民用的微波爐、軍事上使用的能量武器[2],以及光伏發(fā)電等[3]。電場耦合式無線電能傳輸原理類似于可分離的電容,但因?yàn)閭鬏數(shù)墓β瘦^小,安全性不高,所以應(yīng)用并不是很多。電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)脑硎抢秒姶鸥袘?yīng)技術(shù),但是傳輸?shù)挠行Ь嚯x太短,限制了自身的應(yīng)用范圍。磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)脑硎腔趦蓚€(gè)相同的諧振線圈,向其中一個(gè)線圈通入諧振電流,在空間內(nèi)產(chǎn)生交變磁場,另一個(gè)諧振線圈在這一磁場中,內(nèi)部也會出現(xiàn)一個(gè)同頻率的諧振電流,從而實(shí)現(xiàn)電能傳輸。磁耦合諧振式無線電能傳輸理論最早由美籍克羅地亞裔物理學(xué)家Nikola Tesla在1889年提出,此后該技術(shù)停滯了100多年。2007年,麻省理工學(xué)院Marin Soljacic團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對該技術(shù)的驗(yàn)證[4],使無線電能傳輸步入新階段。在中國科協(xié)成立五十周年的系列慶?；顒又?無線能量傳輸技術(shù)被列為十項(xiàng)引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)之一[5]。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前,磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括兩線圈、四線圈、帶中繼線圈及多線圈等,如圖1所示。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩線圈結(jié)構(gòu)組成簡單,但是線圈參數(shù)容易受阻抗變化的影響。四線圈結(jié)構(gòu)通過激勵和負(fù)載線圈實(shí)現(xiàn)諧振線圈與電源、負(fù)載的隔離,從而避免阻抗變化對系統(tǒng)的影響。帶中繼線圈結(jié)構(gòu)可以提升傳輸?shù)木嚯x和效率。多線圈結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)電源向多個(gè)負(fù)載供電或多個(gè)電源向一個(gè)負(fù)載供電。此外,還有學(xué)者研究了其它結(jié)構(gòu),此處不再介紹。

3 磁耦合諧振式無線電能傳輸關(guān)鍵技術(shù)

近年來,對于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)取得了一些理論成果,但依然有很多關(guān)鍵技術(shù)和課題尚未被攻克。筆者就此對磁耦合共振式無線電能傳輸?shù)闹饕P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1 阻抗匹配

系統(tǒng)出現(xiàn)頻率分裂情況后,在原諧振點(diǎn)效率較低,而在新出現(xiàn)的兩個(gè)諧振點(diǎn)上,效率比原諧振點(diǎn)要高。實(shí)際上,頻率分裂現(xiàn)象是由于阻抗不匹配所導(dǎo)致[8]。對于同一個(gè)系統(tǒng)而言,隨著傳輸距離的增大,效率明顯降低,通過阻抗匹配可以提高系統(tǒng)的效率[9]。

阻抗的虛部關(guān)系到諧振頻率,線圈的電感則通常是固定值,因此,調(diào)節(jié)阻抗虛部的電容是一種常見的阻抗匹配形式。發(fā)射端和接收端的阻抗虛部一致時(shí),諧振頻率也可達(dá)到一致,共振效果達(dá)到最佳狀態(tài)。在這樣的情況下,如果改變負(fù)載阻抗的實(shí)部,使其與電源端阻抗實(shí)部相等,則負(fù)載可以從電源端獲得最大能量[10]。很多學(xué)者在阻抗匹配方面做了研究,阻抗匹配不僅體現(xiàn)在磁耦合諧振式無線電能傳輸中,而且在射頻領(lǐng)域、等離子領(lǐng)域等也都是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。常見的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有π型、τ型[11]及DC-DC型,如圖2所示。當(dāng)然,最直接的調(diào)節(jié)方式是將諧振電容替換為可調(diào)電容來實(shí)現(xiàn)阻抗虛部的調(diào)節(jié)。

π型、τ型主要匹配阻抗的虛部,DC-DC型則是一種常見的實(shí)部匹配網(wǎng)絡(luò),通過調(diào)節(jié)占空比,可以改變阻抗的實(shí)部等效值。

Req=toffRl/ton

(1)

式中:Req為等效負(fù)載電阻的阻值;ton為開關(guān)管一個(gè)

表1 磁耦合諧振式無線電能傳輸狀態(tài)

圖2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間;toff為開關(guān)管一個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷的時(shí)間;Rl為實(shí)際負(fù)載電阻的阻值。

文獻(xiàn)[12-13]分別對三種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn),結(jié)果均表明,加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后,系統(tǒng)效率得到了提升。

3.2 頻率跟蹤

在實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)的參數(shù)會因?yàn)槟承┨厥庠?如溫度與濕度變化、外界磁場干擾等發(fā)生變化。由于系統(tǒng)頻率很高,因此參數(shù)的細(xì)微變化將會導(dǎo)致諧振點(diǎn)偏離原來的諧振頻率,對系統(tǒng)效率帶來很大影響。此時(shí),就需要在逆變器中改變諧振電流的頻率,使系統(tǒng)傳輸效率維持在最佳頻率點(diǎn)。

頻率跟蹤的目的是實(shí)現(xiàn)最大效率傳輸。頻率跟蹤的算法有很多,其中爬坡法僅僅根據(jù)頻率調(diào)整后輸出的變化趨勢就能實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤,因而成為一種比較常用的方法。如圖3所示,系統(tǒng)以得到最大的輸出功率y為目的,不斷根據(jù)輸出功率y的大小來調(diào)整頻率x的變化趨勢,這樣最終的頻率x將會使輸出功率y在最大值附近變化,即使諧振頻率發(fā)生變化,逆變器輸出的頻率依然能跟蹤實(shí)際的諧振頻率,保持系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。

圖3 爬坡法頻率跟蹤原理

3.3 高頻逆變器

磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)闹C振頻率一般非常高,且功率較大。傳統(tǒng)的逆變方式有全橋逆變和半橋逆變[14-15],這兩類方式雖然比較成熟,但考慮到高頻脈沖寬度調(diào)制的控制問題及高頻開關(guān)器件的成本問題,目前要實(shí)現(xiàn)頻率達(dá)到兆赫級的大功率逆變還比較難。E類逆變器只要一個(gè)開關(guān)器件就能實(shí)現(xiàn)將直流電逆變?yōu)楦哳l正弦交流電,而且開關(guān)損耗低,電路簡單,控制方便,近年來備受青睞,其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示,理想波形如圖5所示。圖4、圖5中,Vcc為直流電源,L和C分別為諧振電感和電容,RL為負(fù)載電阻,Le為扼流電感,Ce為并聯(lián)電容,Vt為開關(guān)器件,Vg為Vt的導(dǎo)通信號,Ie為扼流電感Le上的電流波形,VVt為開關(guān)管兩端的電壓波形,也即并聯(lián)電容Ce兩端的電壓,IVt為開關(guān)管上流過的電流。理想情況下,開關(guān)管在零電壓、零電流的情況下開通,在零電壓的情況下關(guān)斷。因此,E類逆變器的理論效率可達(dá)100%。同時(shí)E類逆變器傳輸?shù)墓β室草^大。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出功率為2 kW,以絕緣柵雙極晶體管為開關(guān)器件的正弦波輸出E類軟開關(guān)逆變器,獲得了97%的效率。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了雙E類逆變器,可以使輸出的功率提升4倍。此外,還有其它實(shí)現(xiàn)高頻逆變的方法,如相移控制、包絡(luò)調(diào)制等。

3.4 高頻整流

逆變后的高頻電壓需經(jīng)過整流環(huán)節(jié)才能被負(fù)載使用,傳統(tǒng)的超快恢復(fù)二極管恢復(fù)時(shí)間一般為35～75 ns,在實(shí)現(xiàn)十幾兆赫的整流時(shí)會受到限制,而專用的特殊二極管價(jià)格又十分昂貴。目前,新型碳化硅材料的整流器件由于采用新材料和工藝制作,其反向恢復(fù)時(shí)間幾乎為零,而且能夠承受的電流和電壓也較高,因此成為高頻整流環(huán)節(jié)比較理想的器件。

圖4 E類逆變器基本結(jié)構(gòu)

圖5 E類逆變器理想波形

3.5 諧振線圈

為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸效率,有很多學(xué)者致力于諧振線圈的設(shè)計(jì),典型的諧振線圈結(jié)構(gòu)有螺旋密繞型、平面螺旋型、空間螺旋型,如圖6所示。

螺旋密繞型諧振線圈結(jié)構(gòu)比較簡單,線圈每一圈的直徑都達(dá)到最大,且?guī)缀跸嗟?所產(chǎn)生的磁通也都達(dá)到最大,因而這一類型諧振線圈在效率和距離方面都具有一定優(yōu)勢。但是,這一類型諧振線圈由于每一匝相互疊加,導(dǎo)致體積和占用的空間較大。

平面螺旋型諧振線圈結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜,每一圈的直徑逐漸增大,但由于每一圈都在同一個(gè)平面上,因此可以做到非常薄,甚至可以直接用印制電路板繪制,從而大幅減小用電設(shè)備的體積。由于線圈每一圈的半徑不一致,因此這一類型諧振線圈比較適合位置相對固定的場合。此外,這一類型諧振線圈的參數(shù)計(jì)算比較復(fù)雜。

圖6 諧振線圈結(jié)構(gòu)

空間螺旋型諧振線圈結(jié)構(gòu)和彈簧相似,2007年麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)采用的就是這一類型諧振線圈。這一類型諧振線圈每一圈之間的距離比較大,占用空間大,對此部分學(xué)者在設(shè)計(jì)中將諧振線圈的分布電容直接等效為諧振電容。這一類型諧振線圈容易發(fā)生變形,發(fā)生變形后分布電容直接受到影響,進(jìn)而影響系統(tǒng)的諧振參數(shù)。

諧振線圈的寄生電阻主要由趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、介質(zhì)損耗和直流電阻四部分組成。很多文獻(xiàn)從諧振線圈的阻抗出發(fā)對諧振線圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究,如將空間螺旋型諧振線圈的導(dǎo)線做成空心結(jié)構(gòu),以減少鄰近效應(yīng)造成的損耗;改變平面螺旋型諧振線圈的線徑,來改善線圈的品質(zhì)因數(shù);將線圈做成分段結(jié)構(gòu),來減少介質(zhì)損耗等。其中,變線徑平面螺旋型諧振線圈和分段式諧振線圈的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 其它諧振線圈結(jié)構(gòu)

4 建模分析

常見的磁耦合諧振式無線電能傳輸建模方法有三種:電路理論建模分析法、耦合理論建模分析法、二端口網(wǎng)絡(luò)建模分析法。筆者以兩線圈串聯(lián)諧振式無線電能傳輸結(jié)構(gòu)為例,簡要介紹三種建模分析法的原理,其它結(jié)構(gòu)均可以由兩線圈結(jié)構(gòu)推導(dǎo)得出。

4.1 電路理論建模分析法

電路理論建模分析法基于互感理論實(shí)現(xiàn)[18],從等效電路的角度出發(fā),將系統(tǒng)內(nèi)部的每個(gè)元件參數(shù)都納入計(jì)算,可以靈活展現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

兩線圈串聯(lián)諧振式無線電能傳輸電路模型如圖8所示。

圖8 兩線圈串聯(lián)諧振式無線電能傳輸電路模型

圖8中,Ucc為高頻諧振電壓,Rs為電源內(nèi)阻,Re和Rr分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻,Le和Lr分別為發(fā)射線圈和接收線圈的電感,Ce和Cr分別為發(fā)射線圈和接收線圈的匹配電容,i1和i2分別為發(fā)射線圈和接收線圈電流回路,M為發(fā)射線圈和接收線圈的互感,Rl為負(fù)載阻抗。兩個(gè)線圈的參數(shù)一致,電路的諧振頻率ω0滿足:

(2)

根據(jù)電路原理,可以得出:

(3)

根據(jù)式(3)可以求得i1和i2,進(jìn)而可以得出電源端輸出功率Pcc為:

Pcc=Ucci1

(4)

負(fù)載端功率Pl為:

(5)

傳輸效率ρ為:

ρ=Pl/Pcc×100%

(6)

4.2 耦合理論建模分析法

耦合理論建模分析法從能量角度出發(fā)對系統(tǒng)進(jìn)行分析,得到的結(jié)果準(zhǔn)確性較高。對于磁耦合諧振式無線電能傳輸,可以將其發(fā)射線圈和接收線圈看作是兩個(gè)相互微擾的物體,當(dāng)通過磁場弱諧振來傳輸能量時(shí),根據(jù)物理場的耦合理論可以得到:

(7)

(8)

式中:a1(t)、a2(t)分別為發(fā)射線圈和接收線圈時(shí)域場簡正模振蕩幅度;ω1和ω2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的諧振角頻率;Γ1和Γ2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的損耗系數(shù);K為發(fā)射線圈和接收線圈的耦合因數(shù);Γl為負(fù)載損耗系數(shù);Fs(t)為電源激勵信號。

4.3 二端口網(wǎng)絡(luò)建模分析法

二端口網(wǎng)絡(luò)建模分析法將系統(tǒng)視為一個(gè)方框,然后將輸入和輸出端對應(yīng)的關(guān)系用矩陣形式進(jìn)行表達(dá),同時(shí)忽略系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。磁耦合諧振式無線電能傳輸二端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖9所示。

圖9 磁耦合諧振式無線電能傳輸二端口網(wǎng)絡(luò)模型

圖9中,U1為輸入電壓,U2為輸出電壓,電流I1和I2的正方向均為流入二端口網(wǎng)絡(luò)的方向,可以得到:

(9)

式中:A11、A12、A21、A22均為系統(tǒng)輸入到輸出的傳遞參數(shù)。

從表達(dá)式來看,二端口網(wǎng)絡(luò)建模分析法最為簡潔,但是這一方法不僅沒有反映出系統(tǒng)元件參數(shù)對系統(tǒng)的影響,而且沒有分析系統(tǒng)的能量傳遞情況。

5 磁耦合諧振式無線電能傳輸發(fā)展趨勢

磁耦合諧振式無線電能傳輸自2007年被麻省理工學(xué)院學(xué)者驗(yàn)證以來,一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。國際上,美國、日本等發(fā)達(dá)國家在這方面的研究起步較早。英特爾西雅圖實(shí)驗(yàn)室、匹茲堡大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、威斯康辛大學(xué)、東京大學(xué)、佩魯賈大學(xué)等在該項(xiàng)技術(shù)被驗(yàn)證后不久就進(jìn)行了大量研究。近年來,國際上越來越多的學(xué)者和團(tuán)隊(duì)加入到這一技術(shù)的研究進(jìn)程中。

國內(nèi)的研究雖然沒有國外早,但是也取得了一定的理論成果。目前,國內(nèi)的研究主要集中在高校。華南理工大學(xué)張波教授、哈爾工業(yè)大學(xué)朱春波教授、河北工業(yè)大學(xué)楊慶新教授、東南大學(xué)黃學(xué)良教授等帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì),多年來一直致力于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯縖19]。其中,華南理工大學(xué)張波教授團(tuán)隊(duì)提出了頻率跟蹤控制方法,并采用與 Marin Soljacic團(tuán)隊(duì)耦合模型理論不同的電路分析方法,建立了磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)碾娐纺Ｐ蚚20]。此外,南京航空航天大學(xué)陳乾宏、同濟(jì)大學(xué)李云輝、上海交通大學(xué)肖思宇、重慶大學(xué)祝文姬等研究人員也對磁耦合諧振式無線電能傳輸進(jìn)行了大量研究。

根據(jù)各類文獻(xiàn)研究的情況,目前,磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)臒狳c(diǎn)和趨勢主要體現(xiàn)在提高效率和功率、改善傳輸距離、集中控制和管理、規(guī)范安全機(jī)制、異物檢測識別、完善理論研究、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化等方面。

6 結(jié)束語

對比傳統(tǒng)能量傳輸方式,無線電能傳輸展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢,成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)然,無線電能傳輸目前還處于研發(fā)階段,雖然有少數(shù)大型先進(jìn)企業(yè)已經(jīng)在開發(fā)相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品,但是實(shí)際應(yīng)用并不多。筆者對磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,這一技術(shù)雖然起步不久,但是憑借自身的優(yōu)越特性必將在未來電能傳輸領(lǐng)域扮演重要角色。