基于螺線管線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)的研究與優(yōu)化

李帥波 ，梁丹丹 ，王立強 ，尹 偉 ，張 燕

（1.新疆理工學院機電工程學院，新疆溫宿843100；2.阿克蘇職業(yè)技術學院）

0 引言

電能的廣泛應用給人們帶來了便捷，但是輸送電力的電線設備在空間或地上的雜亂無章也給人們生活帶來了諸多苦惱。無線電能傳輸正是在這一背景下應運產(chǎn)生[1,2]。1893 年交流電和無線電發(fā)明人Nikola Tesla 在芝加哥世博會上利用磁耦合無線電能傳輸原理，在不使用導線的情況下成功點亮了一盞照明燈；此后他又進行了著名的Tesla Tower 實驗，點亮位于25mile 的照明燈，但沒有成功[3]。從此無線電能傳輸成為人們研究的熱點。直到2007 年麻省理工學院成功建立了諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了幾倍于振蕩器尺寸的中等距離電能傳輸[3]，掀起了新型無線電能傳輸研究的熱潮，無線電能傳輸有望成為無線設備供電的一種途徑和方式。

磁諧振耦合無線電能傳輸技術是通過非輻射近磁場實現(xiàn)能量高效率傳輸?shù)囊环N技術[4-6]，其工作原理是使用兩個以上的具有一樣的諧振頻率及高品質(zhì)因數(shù)的電磁感應系統(tǒng)，使其處于諧振狀態(tài)，并產(chǎn)生強烈的磁場感應能量交換?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學者對磁諧振耦合無線電能傳輸?shù)难芯康睦碚撚校荷⑸渚仃嚴碚摗Ⅰ詈夏＠碚摵碗娐防碚揫7-9]。前兩個的研究理論分析較難理解，因為其針對性強，相對較抽象，沒有電磁感應系統(tǒng)的相關具體參數(shù)，而且線圈的耦合系數(shù)等相關參數(shù)也很難獲得。但電路理論研究方法是電氣領域最為常用的，也便于理解和分析。因此從電路理論出發(fā)，搭建系統(tǒng)等效傳輸模型。

本文搭建了螺線管線圈無線系統(tǒng)傳輸實驗研究平臺，對系統(tǒng)中影響電能傳輸性能的關鍵參數(shù)進行了實驗研究并進行了理論分析與探索。

1 螺線管線圈系統(tǒng)傳輸模型

1.1 試驗設置

本文重點研究了螺線管線圈自諧振頻率進行無線電能傳輸?shù)奶匦?。該試驗裝置中的發(fā)射線圈和接收線圈采用完全相同的雙層漆包線銅線圈（圖1），導線直徑0.29mm，線圈直徑15.4mm，匝數(shù)52.0。

圖1 系統(tǒng)基本組成

工作原理：調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出具有固定的頻率和幅值的高頻電壓，通過功率放大器的濾波放大后傳送到發(fā)射線圈，再通過該系統(tǒng)的磁共振耦合傳輸將發(fā)射端能量傳送給接收端，接收線圈再將獲得的能量提供給負載。其中直流電源的作用是為功率放大器供電。示波器的作用是用來實時檢測收發(fā)端的頻率和電壓，確保系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)，并從檢測數(shù)據(jù)算出系統(tǒng)的功率，以此分析系統(tǒng)的傳輸效率。

1.2 傳輸模型的建立

本文研究的無線電能傳輸系統(tǒng)是利用線圈的固有頻率發(fā)生諧振進而進行能量傳輸，由阻抗分析儀6500測量所設計的螺線管線圈的參數(shù)，得出線圈等效電容與等效電感是并聯(lián)結(jié)構，線圈將會在并聯(lián)諧振點發(fā)生自諧振現(xiàn)象，系統(tǒng)等效電路模型如圖2。

圖2 等效電路模型

該圖中 US為高頻電源，C1、C2為等效電容，L1、L2為等效電感，R1、R2為諧振時等效電阻，RL為負載端電阻，M 為兩線圈之間的互感系數(shù)，I1、I2電流參考方向。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律列出如下方程：

根據(jù)上述方程組可求出I1、I2，進而可求得系統(tǒng)輸出功率：

系統(tǒng)效率：

由以上表達式可知：當線圈和電壓參數(shù)一定時，功率P和效率η只和ω，M和RL有關。其中互感M是關于收發(fā)線圈間距離d的函數(shù)[10]，即由此可知，影響磁耦合諧振式無線電能傳輸特性的主要參數(shù)為諧振頻率f、收發(fā)線圈間距離d和負載電阻RL。

2 試驗及分析

2.1 UOC/US 變化特性

2.1.1 UOC/US的值隨收發(fā)線圈間距離d變化關系

進行試驗時，負載電阻不變，改變收發(fā)端線圈之間的距離d（由近及遠），與此同時在各個距離處通過掃頻使系統(tǒng)輸出功率P最大（即負載兩端電壓的有效值最大時）。用示波器測得在不同距離處的諧振頻率，均為2.85 MHz。

在 2.85 MHz 處，距離d變化（從 0~10 cm）時，持續(xù)測量接收端的開路電壓UOC，計算其電壓增溢，畫出在f=2.85 MHz 處電壓增溢UOC /US隨d變化的關系曲線，如圖3。由圖3 可以看出：當d=0.5 cm 時，電壓增溢值為4.2；隨著距離d從0.5cm增加至5cm，UOC/US的值下降逐漸減緩；當距離d大于5cm后，UOC/US的值基本保持在0.48。該圖給我們的啟示是：如想要在接收端獲得較大的開路電壓UOC，第一步為增加電源電壓US，第二步為保持距離d小于等于線圈半徑的3 倍。另外需注意，收發(fā)端線圈之間距離越接近，接收端線圈接收到開路電壓就會越大。

圖3 電壓增溢UOC/US 隨d 變化的關系曲線

2.1.2UOC/US的值隨頻率f變化關系

固定距離d等于1cm 時，調(diào)節(jié)交流電源電壓的輸出頻率f，其值從 2.35 MHz 遞增至 3.25 MHz，得到UOC/US隨頻率f變化曲線，如圖4。

圖 4 d=1 cm 時，UOC/US 隨頻率 f 變化曲線

由圖4 可以看出：當距離固定為1 cm 時，隨著f遞增至2.85 MHz，UOC/US 的值從0.21 逐漸增加到最大值2.29，頻率超過2.85 MHz 后，UOC/US的值逐漸減小。在2.85 MHz 處雖然接收端電壓UOC大于電源電壓US，但是不要將電壓增溢誤解為功率增溢，此處功率增溢仍然小于1。之所以在收發(fā)線圈距離較近時會出現(xiàn)UOC/US大于1，是因為其中距離不變，則由上式可知互感M不變，影響電壓增溢和頻率有關，對UOC/US求導可知，在諧振頻率點時，導數(shù)值到最大，從而不難解釋上述曲線變化趨勢，在諧振頻率時電壓增溢最大。

2.2 阻抗匹配

阻抗匹配是射頻功放模塊功率有效輸出的必要條件，因此阻抗匹配對于無線電能傳輸意義重大。圖5 為在諧振頻率2.85 MHz 處通過逐漸增加收發(fā)線圈間距離d，獲得的RL、d和功率P之間的關系圖。

由圖5 可看出：在負載電阻小于等于23.74 kΩ時，負載所獲功率與負載電阻大小成正比，RL=23.74 kΩ時，P取最大；在負載電阻大于23.74 kΩ 時，功率與負載電阻大小成正比。因此，存在一個最佳電阻，可使線圈在諧振頻率處磁耦合無線電能傳輸性能達到最佳。

圖 5 RL、d 和 P 之間的關系

在距離一定范圍內(nèi)，功率隨著距離增大迅速下降；當距離大過一個數(shù)值后，功率基本處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)。需要注意的是，在距離變化中，在各距離處取最大功率時，其負載阻值基本保持不變，即負載的最優(yōu)阻值基本穩(wěn)定不變。

3 結(jié)論

在諧振頻率處，兩個線圈之間距離d≤3r時，電壓增益UOC/US＞1；最優(yōu)負載阻值不隨線圈距離d的變化而變化。因此可得出本系統(tǒng)的優(yōu)化方案：（1）盡量使收發(fā)端線圈之間的距離小于等于線圈半徑的3 倍，且距離越近，接受效率越高；（2）需提前進行阻抗匹配，以使負載端獲取最大的效率和最佳的傳輸效率。