用于貨架電子設(shè)備的準(zhǔn)無線電能傳輸技術(shù)

趙錦輝, 陳希有, 金 鑫, 于峰權(quán)

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

1 引言

近年來,商業(yè)智能零售的概念開始普及。如此一來,諸如電子貨架標(biāo)簽(Electronic Shelf Label,ESL)類的電子顯示屏設(shè)備開始走進公眾視野,如圖1所示。ESL是一種可替代傳統(tǒng)紙質(zhì)標(biāo)簽的智能顯示裝置,每個ESL通過網(wǎng)絡(luò)與云端連接,可以將最新的商品價格信息實時更新顯示,幫助商家省去了大量時間和人力成本更換紙質(zhì)商品標(biāo)簽。目前ESL采用一次性電池供電,存在更換繁瑣的問題,并且廢棄電池會破壞自然環(huán)境。因此,將ESL的電池更換為可充電電池,使其夜晚無人期間在貨架上自主充電是一種更好的方案。電池充電分為有線式和無線式,有線式是通過導(dǎo)線將貨架上的電源與ESL連接,供電穩(wěn)定但貨架需要較大的改造,同時ESL的位置受限于電源的范圍,無線式采用無線電能傳輸技術(shù)或準(zhǔn)無線電能傳輸技術(shù),通過電磁場傳輸能量,無需導(dǎo)線連接電源和ESL,提高了供電的靈活性。

圖1 電子貨架標(biāo)簽Fig.1 Electronic shelf label

無線電能傳輸技術(shù)在生活中有廣泛的應(yīng)用[1],主要有磁場式和電場式兩種。磁場式利用發(fā)射側(cè)線圈產(chǎn)生的交變磁場實現(xiàn)能量傳遞[2-4]。電場式通常利用發(fā)射側(cè)和接收側(cè)兩對極板間的高頻電場傳遞電能[5],但也有利用單對極板間的耦合傳輸電能[6-9]。同時,還存著一種介于雙線和無線之間的單線電能傳輸技術(shù),利用單根導(dǎo)線和空間電場將能量從發(fā)射側(cè)傳輸?shù)浇邮諅?cè)[10,11]。單根導(dǎo)線在一定條件下可以被環(huán)境中的金屬導(dǎo)體替代,例如鋁板、金屬貨架等,達到“無線”狀態(tài),從而實現(xiàn)準(zhǔn)無線電能傳輸。準(zhǔn)無線電能傳輸技術(shù)不同于傳統(tǒng)的單線電能傳輸技術(shù),因為金屬物體的電氣特性和單根導(dǎo)線存在差別,不能將其簡單視為導(dǎo)線,所以通過接觸實現(xiàn)能量傳輸是介于“有線”和“無線”的中間狀態(tài)。

電子設(shè)備接觸到發(fā)射側(cè)導(dǎo)電金屬就可以接收到能量,這種電能傳輸技術(shù)不需要復(fù)雜的耦合機構(gòu),大幅提高了供電的靈活性。對于二維區(qū)域內(nèi)的無線供電技術(shù),采用磁場式,發(fā)射側(cè)需要一個大的平面線圈,成本較高,且不同位置處的耦合參數(shù)不同,為多個負(fù)載供電時,電路模型更為復(fù)雜[12,13]。采用電場式,發(fā)射側(cè)為兩極板時,受限于極板的對準(zhǔn),接收側(cè)僅可在一個方向有較大移動自由度[14,15];發(fā)射側(cè)為單個極板時,接收側(cè)極板可以在二維平面內(nèi)自由移動,但目前的研究少有將負(fù)載近距離放置在發(fā)射側(cè)極板上,仍是負(fù)載遠離發(fā)射側(cè)極板[16]。利用準(zhǔn)無線電能傳輸技術(shù),接收設(shè)備與發(fā)射側(cè)單極板接觸即可實現(xiàn)供電,接收側(cè)可自由移動,文獻[17]接收側(cè)利用諧振線圈傳能,但存在體積過大問題。

磁場的建立需要電流形成閉合回路,通常使用閉合線圈作為耦合機構(gòu)進行引導(dǎo)。電場的建立需要電勢差,無需閉合回路,導(dǎo)體所到之處,周圍都可以建立電場,故借助孤立導(dǎo)體便可以引導(dǎo)。借助貨架的導(dǎo)體部分,通過電子設(shè)備與導(dǎo)體接觸,就可以傳輸能量,這種準(zhǔn)無線電能傳輸方式在滿足無線供電的同時還將大幅降低發(fā)射側(cè)的成本和復(fù)雜性,并提高了用電設(shè)備供電的靈活性。本文針對貨架金屬頂層層板上設(shè)備的供電需求,以準(zhǔn)無線的方式實現(xiàn)了為多個低功率(mW～W級別)電子設(shè)備供電,設(shè)計的小體積接收裝置利于內(nèi)置到電子設(shè)備。后續(xù)出現(xiàn)的貨架層板,其材質(zhì)默認(rèn)為是導(dǎo)電性優(yōu)良的金屬,表面無絕緣涂層,且與貨架金屬支柱處于非連接狀態(tài)。

2 貨架層板準(zhǔn)無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建模

本文設(shè)計的貨架層板上低功率電子設(shè)備的供電示意圖如圖2所示。發(fā)射電源通過導(dǎo)線連接到圖2中貨架層板,接收裝置由導(dǎo)電底板、PCB電路板及金屬線構(gòu)成,金屬線接入上層的PCB板。

圖2 貨架供電示意圖Fig.2 Shelf to power electronic devices

2.1 貨架層板準(zhǔn)無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

貨架層板準(zhǔn)無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中Edc為直流電源,S1～S4為4個組成高頻逆變器的GaN開關(guān)管。發(fā)射側(cè)是由補償電感Lf、補償電容Cm和貨架層板構(gòu)成,接收側(cè)主要由LC補償電路、整流橋、金屬線、鋁片底座和負(fù)載電阻構(gòu)成。其中Lr1、Cn1、R1和Lr2、Cn2、R2分別為兩個接收設(shè)備的補償電感、補償電容、負(fù)載電阻。直流電源經(jīng)過高頻逆變器后產(chǎn)生高頻交流電,經(jīng)LC補償網(wǎng)絡(luò)升壓后在貨架層板上產(chǎn)生高頻高壓,接收設(shè)備放置在貨架層板上,鋁片底座接入接收側(cè)的LC補償電路,鋁片底座與貨架層板接觸實現(xiàn)電路短接,接收側(cè)電路的另一端接金屬線,通過金屬線與周圍環(huán)境耦合產(chǎn)生的位移電流構(gòu)成回路,實現(xiàn)電能的準(zhǔn)無線傳輸。

圖3 貨架層板準(zhǔn)無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of shelf laminate quasi-wireless power supply system

2.2 電場耦合部分電路模型

貨架層板和金屬線分別是接入發(fā)射側(cè)和接收側(cè)的孤立導(dǎo)體,均存在對大地自有部分電容Cself和對周圍環(huán)境的雜散電容,Cself主要與導(dǎo)體的形狀和大小有關(guān)。導(dǎo)體周圍環(huán)境可近似視為和大地的電勢相同,統(tǒng)稱為導(dǎo)體的等效電容。在此基礎(chǔ)上,可以確定貨架層板、金屬線和大地間的電場耦合關(guān)系,如圖4所示。圖4中,Cx為貨架層板等效電容,Cy、Cy1、Cy2為金屬線等效電容,Cb、Cb1、Cb2為金屬線和貨架層板間等效電容,Co為兩個金屬線間等效電容。從而可得系統(tǒng)電場耦合部分電路模型如圖5所示。

圖4 電場耦合示意圖Fig.4 Electric field coupling diagram

圖5 電場耦合電路模型Fig.5 Electric field coupling circuit model

貨架層板的自有部分電容Cself根據(jù)文獻[18],可以將其等效為一個待定半徑圓盤的電容進行計算,其所推導(dǎo)的平板電容公式為:

(1)

式中,l為平板的周長;S為平板的面積;ε0為真空介電常數(shù),ε0=8.854 187 817×10-12F/m。

實際實驗環(huán)境中,貨架層板不可能處于空曠的場所,等效電容中,與周圍環(huán)境間的雜散電容不可忽略。雜散電容是無法單獨計算或使用有限元軟件精確仿真得到,因此,對于貨架層板以及金屬線的等效電容參數(shù)獲取,可采用實驗測量的方法間接獲得。交流電源的一端接貨架層板,另一端接大地。測量金屬線等效電容時,將金屬線豎直放置在貨架層板中央,兩者短接,使用電流探頭測得流入貨架層板的總電流Is。兩者的測量電路如圖6所示。根據(jù)式(2),可求得貨架層板等效電容Cx和兩者總的等效電容Cz。進而根據(jù)式(3),求得金屬線的等效電容Cy。

(2)

圖6 等效電容測量電路Fig.6 Measurement circuit for equivalent capacitance

Cy=Cz-Cx

(3)

式中,U、I、f分別為交流電源的輸出電壓、輸出電流及工作頻率;C為等效電容。

金屬線和貨架層板間的等效電容Cb可以由有限元軟件COMSOL仿真獲得,建立的模型如圖7所示,尺寸和實際裝置一樣,金屬線放置在貨架層板中央正上方3.7 cm處,與實際接收裝置上的金屬線位置基本吻合。

圖7 COMSOL仿真層板-金屬線間電容Fig.7 COMSOL simulation model of capacitance between shelf laminate and metal wire

2.3 貨架層板準(zhǔn)無線供電系統(tǒng)電路模型

單接收設(shè)備情況下,系統(tǒng)的電路模型如圖8所示。其中Lf、Cm分別為發(fā)射側(cè)的補償電感和補償電容;Lr、Cn分別為接收側(cè)的補償電感和補償電容;Rs為電源的等效內(nèi)阻;RLf、RLr、RCf分別為電感及電容的寄生電阻;RG為接地電阻;R為負(fù)載電阻。

圖8 單接收電路模型Fig.8 Single receiver circuit model

多接收設(shè)備情況下,以雙接收為例,電路模型如圖9所示。在接收1和接收2電路參數(shù)一致的情況下,金屬線間的等效電容Co兩端電位相等,沒有電流流過,因此電路分析時可以忽略。

圖9 雙接收電路模型Fig.9 Dual-receiver circuit model

3 單接收與多接收模型分析

先以單接收電路模型為對象分析諧振頻率,在圖8電路模型的基礎(chǔ)上進一步簡化電路,將Rs和RLf合并為Rp,如式(4)所示。由于集總電容Cm的品質(zhì)因數(shù)較高,故分析系統(tǒng)的諧振頻率時,可以近似忽略寄生電阻RCf。接地電阻RG很小,也可忽略,得到簡化電路模型如圖10所示,其中Cf和Cr為合并后的電容,用諾頓定理進一步等效,結(jié)果如圖11所示,電流源的值如式(6)所示。圖10中:

圖10 單接收簡化電路Fig.10 Single receiver simplified circuit

圖11 諾頓等效電路Fig.11 Norton equivalent circuit

Rp=Rs+RLf

(4)

(5)

(6)

系統(tǒng)存在兩個諧振回路,分別是發(fā)射回路和接收回路。發(fā)射回路并聯(lián)諧振時,可以升高a、b兩點間電壓,提高輸出功率,但會在電阻Rp上產(chǎn)生較大的損耗。諧振頻率為:

(7)

為提高系統(tǒng)的傳輸能力,應(yīng)使接收回路并聯(lián)諧振,諧振頻率為:

(8)

因此,盡量保證發(fā)射回路和接收回路的諧振頻率相同。除電感電容外,諧振頻率還受到電阻的影響。理想情況下,取f0作為系統(tǒng)的工作頻率,如式(9)所示。此時圖11中發(fā)射回路和接收回路的并聯(lián)部分等效阻抗近似達到最大,因此可得到圖12近似簡化模型,等效電阻如式(10)和式(11)所示。

圖12 單接收諧振時簡化電路模型Fig.12 Simplified resonant circuit model for single receiver

f0=f1=f2

(9)

(10)

(11)

接收側(cè)的輸入電流有效值為:

(12)

系統(tǒng)的傳輸效率為:

(13)

在電路中的補償電感電容以及電阻參數(shù)確定的情況下,由式(12)可知,當(dāng)Is恒定時,I0會隨著Cy增大而增大,從而提高傳輸功率;由式(13)可知,系統(tǒng)的傳輸效率也會隨著Cy增大而增大。

當(dāng)接收設(shè)備增加時,默認(rèn)各個設(shè)備的參數(shù)一致,發(fā)射側(cè)和各個接收側(cè)的LC參數(shù)大小仍然保持相同,同時諧振,諧振情況下簡化電路如圖13所示。

圖13 多接收諧振時簡化電路模型Fig.13 Simplified resonant circuit model for multi-receivers

Rr1-max=Rr2-max=…=Rrn-max=Rr-max

(14)

Cy1=Cy2=…=Cyn=Cy

(15)

多接收下,系統(tǒng)的傳輸功率為:

(16)

式中,n為接收設(shè)備數(shù)量。

假設(shè)Rr-max=αRf-max,其中α≈Rp/(R+RLr),則:

(17)

根據(jù)經(jīng)驗,對α和η0各取兩組值,獲得多接收下傳輸功率和接收設(shè)備數(shù)量的關(guān)系曲線如圖14所示?？梢?隨著接收設(shè)備數(shù)量增多,系統(tǒng)傳輸功率有降低的趨勢。

圖14 不同負(fù)載數(shù)下的傳輸功率Fig.14 Transmission power at different load numbers

多接收下,系統(tǒng)的傳輸效率為:

(18)

由式(18)可知,接收設(shè)備數(shù)量增多,系統(tǒng)傳輸效率增大。根據(jù)圖14和式(18)可推導(dǎo)得出接收設(shè)備數(shù)量增多,系統(tǒng)的總輸入功率降低。

4 輸出電壓與傳輸效率電路仿真

為了分析單接收系統(tǒng)的傳輸特性,獲得系統(tǒng)的輸出電壓、傳輸效率與系統(tǒng)的工作頻率、金屬線等效電容之間的關(guān)系,根據(jù)圖8電路模型,在LTspice中建立系統(tǒng)的仿真模型。仿真前需獲得相關(guān)電路參數(shù)。貨架層板及金屬線參數(shù)見表1。

表1 貨架層板及金屬線參數(shù)Tab.1 Shelf laminate and metal line parameters

根據(jù)式(1)計算得出貨架層板的自有部分電容Cself為18.66 pF。在電源頻率為2 MHz的情況下,測量并計算可得電源電壓有效值為260～400 V下的等效電容曲線,如圖15所示,可取Cx≈38 pF,Cy≈1.5 pF?？梢娯浖軐影宓牡刃щ娙莺屠碚撚嬎愕淖杂刹糠蛛娙輸?shù)值相差較大。經(jīng)COMSOL仿真可得,貨架層板和金屬線兩者間的等效電容Cb≈4 pF。根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,建筑物各電氣系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)符合最小值的要求,不應(yīng)大于1 Ω,本文取RG=1 Ω。

圖15 不同電壓下的等效電容Fig.15 Equivalent capacitance at different voltages

所有仿真參數(shù)見表2,除部分參數(shù)來自于上述實驗測量和有限元仿真軟件獲得外,補償電感電容以及寄生電阻的值由LCR分析儀測得。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

為了尋找系統(tǒng)的最優(yōu)工作頻率,得到輸出電壓和傳輸效率隨頻率變化的曲線,如圖16所示。系統(tǒng)存在兩個特征頻率f01和f02,在f01處,系統(tǒng)的傳輸效率最大,輸出電壓可達8.8 V;f02處,系統(tǒng)的輸出電壓最大,但此時系統(tǒng)效率過低,因此不采用此頻率。

圖16 輸出電壓及傳輸效率隨頻率變化曲線Fig.16 Curve of output voltage and transmission efficiency with frequency changing

當(dāng)頻率為f01時系統(tǒng)的輸出功率仍然滿足為低功率設(shè)備供電的要求,因而選取f01作為工作頻率。

在工作頻率下,仿真得Cy對輸出電壓及傳輸效率的影響,如圖17所示。可見金屬線的等效電容會極大影響系統(tǒng)輸出電壓和傳輸效率。Cy容值越大,效率越高,輸出電壓越高。因此理論上增加接收設(shè)備數(shù)量以增大等效Cy,可提高系統(tǒng)整體傳輸性能。

圖17 Cy對輸出電壓及傳輸效率的影響Fig.17 Effect of Cy on output voltage and transmission efficiency

5 實驗研究

為了進行貨架層板準(zhǔn)無線供電系統(tǒng)的實驗研究,搭建了實驗裝置,如圖18所示,元件參數(shù)見表3。系統(tǒng)主要由直流電源、高頻逆變器、補償網(wǎng)絡(luò)、整流橋、金屬鋁板、金屬線以及輔助測量設(shè)備(直流指針式電壓表)組成。貨架的頂層層板采用鋁板模擬,接收裝置的補償電感鐵心使用的是直徑10 mm、長度50 mm的NXO-100鎳鋅鐵氧體磁棒,由于此材料具有多孔性和高電阻率,非常適合在1 MHz以上的高頻下使用。

表3 實驗用元件參數(shù)表Tab.3 Element parameters for experiments

圖18 實驗系統(tǒng)Fig.18 Experimental system

5.1 單接收實驗

實驗用的元件參數(shù)見表3。發(fā)射側(cè)的層板中央位置上放置一個接收設(shè)備,接收設(shè)備底端鋁片與層板直接接觸。使用金屬氧化膜電阻作為負(fù)載,輸出功率可通過負(fù)載兩端的直流電壓計算得出。

5.1.1 金屬線長度變化實驗

負(fù)載電阻為R=51 Ω,改變金屬線的長度,得到傳輸功率和效率的變化情況,如圖19所示。金屬線長度為0,對應(yīng)接收裝置不接金屬線的情況。由圖19可知金屬線長度對傳輸功率和效率的影響顯著,沒有金屬線時,能量基本無法傳輸,金屬線長度越長,傳輸?shù)墓β试酱?效率越高,符合金屬線等效電容Cy的仿真規(guī)律。當(dāng)長度為27 cm時,輸出功率為1.25 W,滿足貨架上低功率設(shè)備供電的要求,此時效率在9%左右。金屬線過長不利于集成,過短會大幅降低傳輸效率,因此后續(xù)實驗所選取的金屬線長度均為27 cm。

圖19 金屬線長度對傳輸功率及效率的影響Fig.19 Effect of metal wire length on transmission power and efficiency

5.1.2 負(fù)載電阻變化實驗

金屬線長度為27 cm,傳輸功率和效率隨負(fù)載電阻阻值的變化如圖20所示。負(fù)載電阻的范圍為5～75 Ω,功率和效率先升后降,負(fù)載電阻為27 Ω時,傳輸功率達到最大為2.4 W,此時輸出電壓為8 V,效率達到最大為11%,因此后續(xù)實驗采用27 Ω作為負(fù)載電阻。

圖20 負(fù)載電阻變化時的傳輸功率效率Fig.20 Transmission power and efficiency with load resistance changing

5.1.3 接收設(shè)備位置變化實驗

負(fù)載電阻為27 Ω,金屬線長度為27 cm,為探究層板各位置的傳輸特性,改變接收設(shè)備在層板上所處的位置,得到傳輸功率和效率的變化情況如圖21所示。將整個層板區(qū)域橫向11等分,縱向6等分,共有66個位置。由圖21可知,各個位置的傳輸功率都在2 W以上,靠近層板四角位置的傳輸能力高于邊緣位置,邊緣位置的傳輸能力高于中央位置,在靠近層板四角位置可以獲得3 W以上傳輸功率。

圖21 層板上各位置的傳輸功率Fig.21 Transmission power at each position on plane

同時得到在層板上各位置的傳輸效率,如圖22所示。層板四角位置的傳輸效率高于邊緣位置,邊緣位置高于中央位置,與傳輸功率的規(guī)律基本吻合?？拷鼘影逅慕俏恢眯瘦^高,最高可達17%,中央位置效率較低,僅有10%左右。由圖23可見,整個層板上90%區(qū)域傳輸效率高于10%,60%區(qū)域傳輸效率高于12%,13.6%區(qū)域傳輸效率高于15%。

圖22 層板上各位置的傳輸效率Fig.22 Transmission efficiency at each position on laminate

圖23 層板上傳輸效率的區(qū)域占比Fig.23 Area share of transmission efficiency on laminate

層板的邊緣區(qū)域傳輸功率和效率高于中央位置,是由于高頻下金屬板邊緣效應(yīng)造成的,圖24是由COMSOL仿真得到的1 980 kHz時層板電流密度模分布,可見電流主要集中在層板的邊緣。

圖24 層板電流密度模分布Fig.24 Laminate current density distribution

5.2 多接收實驗

直流電源輸出電壓提高為36 V,其余實驗元件參數(shù)同表3。負(fù)載電阻為27 Ω,金屬線長度為27 cm。

5.2.1 接收設(shè)備數(shù)量變化實驗

為了達到較好的傳輸效果,將接收設(shè)備靠層板的一長邊放置,從右到左增加接收設(shè)備的數(shù)量,接收設(shè)備間的距離保持均勻。由圖25可知,增加接收設(shè)備,傳輸效率提升,總的傳輸功率呈降低趨勢。接收設(shè)備為兩個時,總傳輸功率略有上升,為6.69 W,此時效率為22.4%。數(shù)量增加為6個,此時接收設(shè)備數(shù)量在長邊方向基本達到飽和,效率達到最大為31.6%,總傳輸功率降到4.78 W。

圖25 不同負(fù)載數(shù)下的傳輸功率效率Fig.25 Transmission power and efficiency at different load numbers

六接收設(shè)備時的實驗效果如圖26所示,指針式電壓表接在負(fù)載電阻兩端,兩邊的接收電壓高于中間,電壓分布符合圖24所示的電流分布規(guī)律。最左側(cè)的接收電壓高于最右側(cè)的接收電壓,是由于接收設(shè)備間存在電感電容偏差,無法使所有的接收設(shè)備參數(shù)完全一致。接收設(shè)備的最低電壓為3.8 V,接收功率為534 mW,仍滿足為貨架上的低功率電子設(shè)備供電,如電子鐘、ESL等。

圖26 六接收帶載實驗Fig.26 Six receivers experiment

由圖27知,接收設(shè)備數(shù)量增加,電源輸入電流降低,單接收最高輸出電壓降低,帶載能力下降。接收設(shè)備中最高輸出電壓從單接收時的12.5 V降低到六接收時的5.8 V。同時,系統(tǒng)輸入電流也降低到0.42 A,但系統(tǒng)的傳輸效率近乎提高一倍。

圖27 負(fù)載增加時的輸入電流及最高輸出電壓變化情況Fig.27 Input current and maximum output voltage change with receiver increasing

5.2.2 接收設(shè)備種類變化實驗

不同的負(fù)載電阻可對應(yīng)到不同的接收設(shè)備,即不同的供電需求,以三接收設(shè)備為例,調(diào)整負(fù)載電阻組合進而探究接收設(shè)備種類變化對系統(tǒng)傳輸能力的影響。其中R=27 Ω為單接收時的最佳負(fù)載。

由圖28可見,多接收下不同的接收設(shè)備組合會影響到系統(tǒng)的傳輸功率,偏離最佳負(fù)載的程度越大,非最佳負(fù)載數(shù)量越多,系統(tǒng)傳輸功率下降就越大。

圖28 不同負(fù)載組合下的傳輸功率Fig.28 Transmission power under different load combinations

5.2.3 多層應(yīng)用場景

為探究多層層板對系統(tǒng)傳輸性能的影響,搭建了雙層貨架,層板之間用導(dǎo)線連接。調(diào)整發(fā)射側(cè)的補償電容Cm,在工作頻率基本不變的情況下,測得了兩接收設(shè)備處于不同層板時,系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率如圖29所示。

圖29 兩接收設(shè)備的傳輸功率和效率Fig.29 Transmission power and efficiency of two receivers

如圖29所示,單層:兩接收設(shè)備置于單層層板上;雙層11:兩接收設(shè)備置于貨架頂層;雙層12:兩接收設(shè)備分別置于貨架頂層和底層;雙層22:兩接收設(shè)備均置于貨架底層?？梢?單層貨架上的傳輸性能優(yōu)于雙層貨架頂層;雙層貨架頂層的傳輸性能優(yōu)于底層。主要因為貨架層板尺寸增大會提高電場輻射損耗;處于中間層的接收設(shè)備金屬線等效電容Cy減小使傳輸效率降低;金屬線和層板間等效電容Cb增大使接收設(shè)備偏離諧振,系統(tǒng)傳輸性能降低。

在上述實驗基礎(chǔ)上,將金屬氧化膜電阻負(fù)載換為額定功率3 W的小型白熾燈,在層板上水平放置四個接收設(shè)備,如圖30所示,四個小燈泡均可以被點亮,中間的兩個接收設(shè)備2和3下面放置了一張絕緣紙隔離接收設(shè)備底面鋁片和層板,電能仍然可以傳輸。該實驗說明,當(dāng)層板與接收設(shè)備無電氣連接時,能量仍然可以傳輸,此時整個系統(tǒng)變?yōu)闊o線電能傳輸系統(tǒng)。因此可以將準(zhǔn)無線電能傳輸技術(shù)拓展應(yīng)用到無線電能傳輸領(lǐng)域。

圖30 白熾燈實驗Fig.30 Incandescent lamp experiment

如圖31所示,兩接收設(shè)備置于上層,兩接收設(shè)備置于下層,置于上層的白熾燈亮度要高于下層,可見多層貨架時頂層的傳輸效果最好。

圖31 雙層四接收實驗Fig.31 Four receivers experiment on double layer shelf

6 結(jié)論

本文針對貨架上微功耗電子設(shè)備供電/充電需求,提出了一種借助貨架金屬層板實現(xiàn)準(zhǔn)無線供電的新系統(tǒng)。為增大傳輸能力,提出了小體積金屬線耦合器。分析了單接收及雙接收系統(tǒng)的全電容耦合模型及諧振頻率,建立了多接收下的諧振簡化模型。最后,基于所提拓?fù)浯罱素浖軐影鍦?zhǔn)無線供電系統(tǒng)樣機,實驗驗證了理論分析的正確性。所提貨架準(zhǔn)無線供電系統(tǒng)可滿足貨架層板范圍內(nèi)自由供電/充電,實現(xiàn)了單接收設(shè)備時5.8 W的功率傳輸,最高效率達17%;多接收設(shè)備時,各接收設(shè)備傳輸功率均在500 mW以上,最高效率可達31.6%。為使其更好應(yīng)用于貨架,后續(xù)可提高工作頻率進而縮小金屬線尺寸,或者將金屬線隱藏于接收設(shè)備外殼。同時,需要注意的是產(chǎn)品的安全性和電磁環(huán)境問題也不容忽視,未來的研究將圍繞這些主題進行改進。