基于耦合諧振及新型空間全向耦合機構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng)

摘 要：

針對傳統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射機構(gòu)和接收機構(gòu)相對位置發(fā)生偏移時，傳輸功率和效率急劇下降的問題，提出了一種基于耦合諧振及新型空間全向耦合機構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng)。首先通過有限元仿真分析發(fā)射機構(gòu)的磁場分布特性，設計了適應其磁場分布的接收機構(gòu)；然后基于串串諧振補償結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)數(shù)學模型，分析系統(tǒng)傳輸特性；在此基礎上提出了最優(yōu)輸出方式選擇方法和傳輸特性優(yōu)化方法。最后，通過試驗驗證了所提系統(tǒng)多自由度傳輸能量的可行性和有效性。試驗結(jié)果表明，接收機構(gòu)在多角度情況下的輸出功率維持在35 W以上，傳輸效率穩(wěn)定在60%～75%。

關鍵詞：

無線電能傳輸; 耦合諧振; 多自由度; 最優(yōu)輸出方式選擇

中圖分類號： TM724

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）07-0019-09

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.003

Wireless Energy Transmission System Based on Coupled Resonance and Novel Space Omnidirectional Coupling Mechanism

Abstract：

Aiming at the problem that the transmission power and efficiency drop sharply when the relative positions of the transmitting and receiving bodies in the traditional wireless energy transmission system are offset， a wireless energy transmission system based on coupled resonance and a new type of spatial omnidirectional coupling mechanism is proposed. Firstly， the magnetic field distribution characteristics of the transmitting mechanism are analyzed by finite element simulation， and the receiving mechanism adapted to its magnetic field distribution is designed. The mathematical model of the system is established based on the series-series resonance compensation structure， and the transmission characteristics of the system are analyzed. The optimal output selection method and the transmission characteristics optimization method are put forward on the basis of the system. Finally， the feasibility and validity of the system for multi-degree-of-freedom transmission are verified by experiments. The experimental results show that the output power of the system is maintained at more than 35 W and the transmission efficiency is stable at 60%～75% in the case of multiple angles of the receiving mechanism.

Key words：

wireless power transfer; coupled resonance （WPT）; multiple degrees of freedom; selection of optimum output method

0 引 言

無線電能傳輸（WPT）是一種依靠電場、磁場、微波和激光等能量載體，實現(xiàn)電能自供電側(cè)至用電設備的非接觸式能量傳輸方式［1］。相較于傳統(tǒng)有線電能傳輸方式存在接口部分老化磨損、難以實現(xiàn)防水防塵、手動操作頻繁以及需經(jīng)常維護等缺點，WPT技術具有安全可靠、靈活度高、操作簡單、環(huán)境適應能力強和維護費用低等諸多優(yōu)點［2-7］，已廣泛應用于家用電器、電動汽車、醫(yī)療植入設備、采礦冶金以及深水探測［8-13］等領域。目前WPT方式主要分為電磁感應式、磁耦合諧振式、電場耦合式和電磁波輻射式，其中磁耦合諧振式具有傳輸效率高、傳輸功率大、傳輸距離遠、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點［14］，得到國內(nèi)外眾多高校以及科研機構(gòu)的廣泛研究并快速發(fā)展。

傳統(tǒng)WPT系統(tǒng)的耦合機構(gòu)多采用平面線圈，具有一定方向性，在使用過程中需要保證耦合機構(gòu)正對才能實現(xiàn)最大傳輸效率，用電設備的空間位置發(fā)生偏移會導致傳輸效率急劇下降，甚至無法正常工作，極大地降低了WPT系統(tǒng)的靈活性和可靠性。為此，有學者提出了空間全向WPT技術。文獻［15-19］提出適用于二維和三維空間全向WPT系統(tǒng)的電流控制方法，并設計了經(jīng)典三正交發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，通過電流矢量控制可使磁通量指向空間的各個方向。但該方法需要3套獨立的電源模塊，結(jié)構(gòu)復雜。文獻［20］設計了一種能使系統(tǒng)漏磁最小的三維發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，通過控制電流的大小和相位來產(chǎn)生全向且均勻的磁場，具有較強抗干擾能力，但發(fā)射線圈的電流控制方法比較復雜。文獻［21］提出一種具有改進補償拓撲結(jié)構(gòu)的三維無線充電圓柱體，該設計可以產(chǎn)生均勻的旋轉(zhuǎn)磁場，為其周圍多個負載供電，但均勻磁場只存在于發(fā)射結(jié)構(gòu)四周環(huán)形面上，并非真正的空間全向。文獻［22］提出一種由多個發(fā)射線圈組成的碗裝發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，其中1個發(fā)射線圈在底部，4個發(fā)射線圈均勻分布在側(cè)面，該結(jié)構(gòu)具有均勻磁場和較高的傳輸效率，但功率較小，只適用于小型電子設備。文獻［23］提出一種由單電源驅(qū)動的新型正多面體發(fā)射線圈，在每個面上放置了單匝激勵線圈和多匝發(fā)射線圈，激勵線圈與電源相連，但其能否提高磁場的自由度和均勻性還需后續(xù)試驗驗證。

上述方法雖然可以在一定程度上解決電能的多自由度傳輸問題，但在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法上都比較復雜。為此，本文提出一種基于耦合諧振及新型空間全向耦合機構(gòu)的WPT系統(tǒng)。該系統(tǒng)的發(fā)射機構(gòu)由均勻分布在半球面上的線圈組成，各線圈并聯(lián)連接于同一電源，接收機構(gòu)由2個相互正交的方形線圈組成，2個接收線圈相互解耦。通過檢測一次側(cè)的電氣參數(shù)，可以選擇最優(yōu)輸出方式，并優(yōu)化效率和功率，實現(xiàn)多自由度、高效率無線電能傳輸。

1 耦合機構(gòu)設計

耦合機構(gòu)是無線充電系統(tǒng)實現(xiàn)能量傳輸?shù)年P鍵部分，由發(fā)射機構(gòu)和接收機構(gòu)2個部分組成。耦合機構(gòu)的設計是目前空間全向WPT系統(tǒng)的研究熱點。本文設計的耦合機構(gòu)能夠保證發(fā)射機構(gòu)在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生盡可能均勻的空間全向磁場，接收線圈在各個不同方向上都能盡可能多地耦合磁通，實現(xiàn)多自由度能量拾取。

1.1 發(fā)射機構(gòu)設計

空間均勻磁場的產(chǎn)生需要設計合適的發(fā)射機構(gòu)形狀，最理想的設計是將線圈繞制成球形或半球形。相較于球形，半球形體積更小，產(chǎn)生的磁場更集中，可在使用過程中避免過多的能量浪費。本文提出的發(fā)射機構(gòu)模型如圖1所示。4個小線圈均勻繞制在被四等分的半球形表面上，各線圈相互獨立，且并聯(lián)于同一電源上。

由于發(fā)射機構(gòu)周圍的磁場由4個小線圈產(chǎn)生的磁場疊加形成，因此各線圈的繞線方向?qū)Υ艌鰪姸群头较蛴兄匾绊?。描述磁場的麥克斯韋第三方程為

式中： B——磁通密度;

ds——面積元。

根據(jù)式（1）可知，穿過一個閉合曲面的總磁通量總為0?；诖?，發(fā)射機構(gòu)的設計不考慮產(chǎn)生同向磁場，而采用相鄰線圈磁場反向的繞線方式，根據(jù)右手螺旋定則，當各線圈通入相同電流時，可產(chǎn)生相鄰面異向的空間磁場，磁感線的入射面積等于出射面積，且磁場方向基本垂直于半球體表面。本設計具有自然的閉合磁路，有利于減少各線圈之間磁場相互抵消的情況。

發(fā)射機構(gòu)周圍磁場強度矢量圖和云圖如圖2所示。相鄰線圈施加的激勵方向相反。由圖2可知，該發(fā)射機構(gòu)可以產(chǎn)生空間全向磁場，且在發(fā)射機構(gòu)周圍有效空間內(nèi)，磁場分布比較均勻。線圈分界處疊加磁場略有增強，但疊加處的磁場方向已改變，故需要設計能接收多方向磁場的接收機構(gòu)來適應該發(fā)射機構(gòu)。

1.2 接收機構(gòu)設計

接收機構(gòu)可將發(fā)射機構(gòu)產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸妶?，從而完成能量的傳輸。傳統(tǒng)平面型WPT系統(tǒng)的接收機構(gòu)總是固定于某一位置，而空間全向WPT系統(tǒng)的接收機構(gòu)可在發(fā)射線圈周圍一定范圍內(nèi)自由運動。因此，接收機構(gòu)的設計需要滿足在任意位置都能穩(wěn)定接收該方向的磁場并能將其轉(zhuǎn)化為電能。

半球形發(fā)射機構(gòu)相鄰面產(chǎn)生的磁場在任意時刻總是相異的，接收機構(gòu)在相鄰區(qū)域感應得到的電壓極性相反，當傳統(tǒng)平面型接收機構(gòu)圍繞發(fā)射機構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)移動時，電壓極性存在由正到負或由負到正轉(zhuǎn)變的過渡過程，在該過程中必定存在1個電壓為0的位置，此時接收機構(gòu)的幾何中線剛好與相鄰磁場分界線重合，相異磁場穿過接收機構(gòu)的面積相等，系統(tǒng)傳輸功率為0。為了適應發(fā)射機構(gòu)的磁場分布，提高能量在傳輸過程中的連續(xù)性和穩(wěn)定性，本文設計了一種正交形接收機構(gòu)。接收機構(gòu)模型如圖3所示。

該接受機構(gòu)由2個相互正交的方形線圈串聯(lián)組成，2個正交線圈產(chǎn)生的磁場相互垂直，其互感為0，減小了能量的損耗。同時，該接收機構(gòu)可以接收不同方向的能量，在其沿著磁場分界線繞行時也能獲得較大的拾取功率，從而更好地適應發(fā)射機構(gòu)產(chǎn)生的磁場。以接收機構(gòu)圍繞發(fā)射機構(gòu)公轉(zhuǎn)運動時，耦合機構(gòu)的傳輸效率和功率的變化規(guī)律來驗證該耦合機構(gòu)的傳輸特性。設定旋轉(zhuǎn)角度分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，發(fā)射機構(gòu)與接收機構(gòu)距離為150 mm。接收機構(gòu)在不同角度的輸入功率如圖4所示。由圖4可知，接收機構(gòu)在各角度上的傳輸功率差別不大，在繞行經(jīng)過磁場分界線時略有波動，但基本可以保證接收機構(gòu)出現(xiàn)位置偏移時能量的穩(wěn)定傳輸。

2 無線電能傳輸系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的空間全向WPT系統(tǒng)主要由直流電壓源、全橋逆變器、一次側(cè)諧振補償網(wǎng)絡、發(fā)射機構(gòu)、接收機構(gòu)、二次側(cè)諧振補償網(wǎng)絡、整流器和負載組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，發(fā)射機構(gòu)由4個發(fā)射線圈并聯(lián)組成，每個發(fā)射線圈回路中都有1個開關控制其回路導通或關斷。一次側(cè)、二次側(cè)的補償網(wǎng)絡均采用串串（S-S）型結(jié)構(gòu)，S-S型諧振補償網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、傳輸效率高，且一次側(cè)補償元件參數(shù)不受二次側(cè)元件影響，便于設計。

發(fā)射機構(gòu)可以產(chǎn)生空間全向的磁場，并根據(jù)接收機構(gòu)的位置選擇導通合適的發(fā)射線圈，使負載在任意位置都能接收到穩(wěn)定、充足的能量。

2.2 系統(tǒng)工作模式

本文提出的WPT系統(tǒng)的工作模式可分為單發(fā)射線圈供電模式和相鄰雙發(fā)射線圈供電模式。

2.2.1 單發(fā)射線圈系統(tǒng)分析

電路分析理論是WPT系統(tǒng)中最常用的分析理論。單發(fā)射線圈系統(tǒng)電路耦合模型如圖6所示。其中，US為交流電壓源（不計電源內(nèi)阻），I1、I2分別為一次側(cè)和二次側(cè)電流，C1、C2分別為一次側(cè)和二次側(cè)諧振電容，R1、R2分別為發(fā)射線圈和接收線圈內(nèi)阻，L1、L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈電感，M為兩兩線圈之間互感，RL為負載電阻。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL）可得，該系統(tǒng)的KVL方程為

式中： ω——諧振角頻率;

jωM——互阻抗。

其中，X1=jωL1+1/（jωC1），X2=jωL2+1/（jωC2）。

當系統(tǒng)工作于全諧振狀態(tài)時：

聯(lián)立式（2）、式（3），整理后可得一次側(cè)、二次側(cè)回路電流分別為

由式（4）可進一步求得該系統(tǒng)的輸入功率Pin和輸出功率Pout分別為

系統(tǒng)效率η為

2.2.2 雙發(fā)射線圈系統(tǒng)分析

雙發(fā)射線圈系統(tǒng)耦合電路模型如圖7所示。其中，U1、U2為交流電壓源（不計電源內(nèi)阻），I1、

I2為兩發(fā)射線圈回路電流，I3為接收線圈回路電流，C1、C2為兩發(fā)射線圈回路諧振電容，C3為接收線圈回路諧振電容，R1、R2為兩發(fā)射線圈電阻，R3為接收線圈電阻，L1、L2為發(fā)射線圈電感，L3為接收線圈電感，M12、M13、M23為兩線圈之間互感，RL為負載電阻。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得，該系統(tǒng)的KVL方程為

式中：""" ω——諧振角頻率;

jωM12、jωM13、jωM23——互阻抗。

其中，Xi=jωLi+1/（jωCi），i=1，2，3。

在本文設計的系統(tǒng)中，各發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)與參數(shù)均相同，故U1=U2=U，R1=R2=R，且2個發(fā)射線圈之間互感很小，jωM12可忽略不計。當系統(tǒng)工作于全諧振狀態(tài)時，有Xi=0，式（7）可簡化為

由式（8）求解，可得3個回路的電流分別為

進一步可解得該系統(tǒng)的輸出功率Pout和系統(tǒng)效率η為

3 傳輸特性優(yōu)化

3.1 最優(yōu)輸出方式選擇

發(fā)射機構(gòu)和接收機構(gòu)之間的電感耦合模型對WPT系統(tǒng)具有重要影響，當發(fā)射機構(gòu)和接收機構(gòu)的相對位置發(fā)生偏移時，兩者的互感也會隨之發(fā)生變化，從而影響WPT系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸功率。因此，為了提高耦合機構(gòu)對于偏差的容忍度，優(yōu)化系統(tǒng)傳輸特性，需要根據(jù)負載的位置，選擇最優(yōu)輸出方式。有學者提出了在耦合機構(gòu)中添加多個傳感線圈或傳感器的方法［24-25］。通過添加傳感線圈和傳感器雖然可以檢測負載位置，但這無疑會增加整個系統(tǒng)的運行成本和復雜度。為解決上述問題，本文提出了一種基于一次側(cè)電氣參數(shù)的最優(yōu)輸出方式選擇方法。

電流和效率與耦合系數(shù)關系曲線如圖8所示。由圖8可知，傳輸效率η 隨著k的增大而增大，輸入電流隨著k的增大而減小，故可以通過檢測發(fā)射線圈中I1的大小來推斷k的大小。

I1越小，則耦合系數(shù)k越大，說明發(fā)射線圈與接收線圈的位置越靠近，耦合關系越強，傳輸效率越高。同理對雙發(fā)射線圈系統(tǒng)進行分析，可以得到相同的結(jié)論。

基于上述結(jié)論，最優(yōu)輸出方式選擇方法流程框圖如圖9所示。

對最優(yōu)輸出方式選擇方法解釋如下：

（1） 系統(tǒng)啟動，給定輸入電壓U;

（2） 依次導通4個發(fā)射線圈，測量得到對應的發(fā)射線圈電流I1、I2、I3、I4;

（3） 比較4個電流大小，記最小電流的有效值為Ia，第二小電流有效值為Ib;

（4） 同時開通Ia、Ib所在線圈，記錄此時的總輸入電流為Ic;

（5） 比較Ia、Ic，若Ia＜Ic，則開通Ia對應線圈;若Ia＞Ic，則開通Ia、Ib所在的2個線圈。

3.2 優(yōu)化方法

通過檢測一次側(cè)的電氣參數(shù)，可以選擇單發(fā)射線圈供電模式或雙發(fā)射線圈供電模式，使耦合機構(gòu)具有較高的傳輸功率和效率，本文提出的優(yōu)化方法主要針對雙發(fā)射線圈供電模式。雙發(fā)射線圈供電時，磁場會在兩線圈分界處疊加增強，若接收線圈中心并不正對于發(fā)射線圈分界線，此時無法獲得最大的傳輸功率和效率。對于多匝圓形線圈，線圈中心的磁通密度B0可表示為

式中： N——線圈匝數(shù);

μ0——正空磁導率;

I——線圈電流幅值;

R——線圈半徑;

l——沿著線圈徑向的單位向量;

r——沿著線圈切向的單位向量。

由式（12）可知，流入線圈的電流越大，線圈中心處的磁通密度越大。將此原理擴展到本文的雙發(fā)射線圈模型中，雙發(fā)射線圈中心處的磁通密度B為各個發(fā)射線圈磁通密度的矢量和，可表示為

式中： B01、B02——2個發(fā)射線圈的磁場矢量;

x、y——沿著X軸和Y軸的單位向量。

由式（13）可知，雙發(fā)射線圈中心處合成的磁場矢量B與流入兩線圈的電流矢量幅值有關，通過改變流入線圈的電流幅值，即可改變合成磁場矢量的方向。

設定流入發(fā)射線圈2的電流I2=1 A，與之相鄰的發(fā)射線圈1的電流I1為1～4 A。線圈1不同電流大小磁場分布云圖如圖10所示。由圖10可知，流入線圈1的電流越大，磁場疊加增強的區(qū)域越向線圈1靠近，通過改變流入電流的大小，使合成的磁場矢量指向接收機構(gòu)，即可實現(xiàn)傳輸功率和效率的優(yōu)化。

4 試驗驗證

4.1 試驗裝置

為驗證本文設計的空間全向WPT系統(tǒng)，搭建的試驗裝置如圖11所示。該裝置主要由直流電源、全橋逆變器、MCU、S-S諧振補償網(wǎng)絡、空間全向發(fā)射機構(gòu)、正交接收機構(gòu)、全橋整流濾波電路和電子負載組成。

其中，全橋逆變器的MOSFET開關管型號為IRFP460APBF，全橋整流器中二極管型號為FERD20H100STS，諧振補償電容采用faratronic CBB電容。發(fā)射機構(gòu)半徑為150 mm，采用0.1×450股的利茲線繞制而成，線圈匝數(shù)為10匝，接收機構(gòu)線圈邊長為100 mm，采用與發(fā)射機構(gòu)相同的利茲線繞制，線圈匝數(shù)為10匝。接收機構(gòu)可圍繞發(fā)射機構(gòu)轉(zhuǎn)動，接收機構(gòu)中心到發(fā)射機構(gòu)的距離為150 mm。試驗裝置具體參數(shù)如表1所示。

4.2 試驗結(jié)果

基于本文設計的耦合機構(gòu)特性，設定軌跡角度ψ分別為22.5°、45.0°、67.5°，繞行角度θ分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°和180°。軌跡角度ψ和繞行角度θ定義如圖12所示。

單線圈模式傳輸功率和效率如圖13所示;雙線圈模式傳輸功率和效率如圖14所示。

由圖13、圖14可知，隨著繞行角度θ的增大，單線圈供電模式和雙線圈供電模式的傳輸功率和效率都先增大后減小，當接收線圈和發(fā)射線圈正對時，系統(tǒng)的傳輸功率和效率達到最大，且不同軌跡角度的變化趨勢相似。

當軌跡角度ψ=45°時，2種供電模式傳輸功率和效率對比如圖15所示。

由圖15可知，當繞行角度為20°～70°時，單線圈模式的傳輸功率和效率較高，該角度范圍內(nèi)適宜用單線圈供電模式；當繞行角度為70°～110°時雙線圈模式的傳輸功率和效率較高，此角度范圍內(nèi)適宜用雙線圈供電模式。通過檢測負載位置，切換2種供電模式，可使輸出功率維持在35 W以上，傳輸效率穩(wěn)定在60%～75%。

設定軌跡角度ψ=45°、繞行角度θ=75°，在雙線圈供電模式下，調(diào)整線圈1的輸入電流大小。線圈1電流和功率效率關系曲線如圖16所示。由圖16可知，通過調(diào)整電流大小可以優(yōu)化系統(tǒng)傳輸性能，效率最高可以提升約3%。

5 結(jié) 語

本文提出了一種單電源供電的新型空間全向無線電能傳輸耦合機構(gòu)及其WPT系統(tǒng)，用于解決空間多自由度電能高效拾取問題。在此基礎上，提出了負載位置檢測方法和耦合性能優(yōu)化方法，試驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)均勻傳輸能量的可行性。本文提出的WPT系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1） 耦合機構(gòu)僅需單電源供電，且無須增加控制環(huán)節(jié)即可形成比較均勻的空間穩(wěn)定磁場，對于降低系統(tǒng)復雜度、提升耦合機構(gòu)靈活性具有重要意義。

（2） 僅需檢測一次側(cè)的電氣參數(shù)即可判別負載位置，無須額外輔助線圈和傳感器，可有效減小耦合機構(gòu)體積和降低成本。

（3） 接收機構(gòu)在空間多角度范圍內(nèi)均可實現(xiàn)高效率傳輸。

本文提出的新型空間全向無線電能傳輸耦合機構(gòu)及其WPT系統(tǒng)在多自由度無線充電應用中具有一定的前景及價值。

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