基于磁耦合諧振的中距離無線電能傳輸技術(shù)

基于磁耦合諧振的中距離無線電能傳輸技術(shù)

19世紀(jì)末，莎拉提出了能傳輸廣播的概念，并于1902年申請了相關(guān)技術(shù)的專利。此后多年,國外一些科學(xué)家雖對此進(jìn)行著研究,并在近距離感應(yīng)電能傳輸方面獲得了一些成果,但在中距離方面一直未能取得突破性進(jìn)展。直到MIT的MarinSoljacic教授及其研究小組于2006年11月在美國AIP論壇上提出基于磁耦合諧振的中距離無線電能傳輸技術(shù),并于2007年6月通過實(shí)驗(yàn)成功地在距離2m多外將一個60W的燈泡點(diǎn)亮。根據(jù)無線電能傳輸技術(shù)原理,可將無線電能傳輸方式分為電磁波式、電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式等三種傳輸技術(shù)方式。電磁波式無線電能傳輸技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是用微波束來代替輸電導(dǎo)線,通過自由空間實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。該技術(shù)特點(diǎn):傳輸距離較長、視距傳輸、傳輸方向受限,在空氣中損耗大,傳輸效率較低,對其周圍環(huán)境影響較大。電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)可以看作是一個松耦合的變壓器,利用電磁感應(yīng)原理,初、次級線圈間通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流,將能量從發(fā)射端轉(zhuǎn)移到接收端。其特點(diǎn)是可達(dá)到較大傳輸功率,但由于線圈間的松耦合,磁場能量會隨距離的增加而迅速衰減,使得耦合系數(shù)較小,傳輸距離短,被限制在厘米、毫米等級。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)結(jié)合了上述兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時,又克服了其不足。與感應(yīng)式技術(shù)相比,其能量傳輸距離更遠(yuǎn)——可中距離傳輸(幾倍于諧振線圈直徑);與電磁波式技術(shù)相比,其傳輸效率更高。本文采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù),通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號占空比Don、無線電能傳輸距離d以及接收負(fù)載阻值RL等相關(guān)參數(shù)的一系列理論分析,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到了與無線電能傳輸功率、效率之間的關(guān)系。1磁極磁共振無線能傳輸技術(shù)原理1.1磁耦合振幅式無線電能傳輸技術(shù)磁耦合是載流線圈之間通過彼此的磁場相互聯(lián)系的物理現(xiàn)象。在近場區(qū),電磁場能量在輻射源內(nèi)部及輻射源周圍空間之間周期性地來回流動,不向外輻射,即非輻射性磁耦合。諧振是指當(dāng)在某一個確定的頻率下,兩個相同諧振頻率的諧振物體間產(chǎn)生更強(qiáng)耦合,從而更有效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù),就是利用磁耦合和諧振技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。其理論基礎(chǔ)是耦合模式理論CMT(Coupled-ModeTheory),主要思想是系統(tǒng)中具有相同諧振頻率的物體之間通過強(qiáng)耦合從而進(jìn)行高效率的能量交換,而偏離諧振頻率的物體之間相互作用則較弱。如圖1所示,發(fā)射端與接收端LC諧振線圈回路分別由兩個相匹配的LC諧振線圈回路組成。由Ls和Cs構(gòu)成的發(fā)射端諧振線圈回路,在高頻脈沖信號驅(qū)動下,不斷向周圍空間發(fā)出電磁波,在近場區(qū)形成非輻射交變磁場,經(jīng)過強(qiáng)磁耦合諧振,由Lr和Cr構(gòu)成的接收端諧振線圈回路進(jìn)行能量接收,從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。1.2發(fā)射端lc諧振線圈回路模型基于磁耦合諧振的無線電能傳輸系統(tǒng)主要由發(fā)射端與接收端LC諧振線圈回路、高頻驅(qū)動兩大模塊組成。在諧振系統(tǒng)中,通過調(diào)節(jié)高頻驅(qū)動信號相關(guān)參數(shù)(電壓幅度、頻率f和占空比Don等)來控制開關(guān)管的開關(guān)及通斷,從而使得電源Voc在高頻驅(qū)動信號的控制下,適時向發(fā)射端LC諧振線圈回路提供能量。發(fā)射端和接收端LC諧振線圈以交變磁場為媒介,經(jīng)過強(qiáng)磁耦合諧振,能量在接收端電感線圈中不斷地聚集,電能被傳遞到接收端的負(fù)載。其對應(yīng)的電路模型如圖2(a)所示,MOS管導(dǎo)通時,電源向發(fā)射端LC諧振線圈回路注入高頻脈沖電流;MOS管關(guān)斷時,發(fā)射端LC諧振線圈回路A點(diǎn)懸空,流過Rs的電流為零,此時發(fā)射端LC諧振線圈回路為一個LC串聯(lián)回路,其等效電路如圖2(b)中發(fā)射端LC諧振線圈回路所示。為便于分析和計(jì)算,MOS管關(guān)斷時,將圖2(a)轉(zhuǎn)換成如圖2(b)所示的串聯(lián)耦合電路模型,其中Rs、Rr分別為發(fā)射與接收線圈回路高頻損耗電阻,Ls、Lr分別為其自感,Cs、Cr為分別為發(fā)射與接收LC諧振線圈回路諧振電容,RL為負(fù)載電阻,M為發(fā)射與接收兩端線圈之間互感,d為兩線圈間距離。設(shè)系統(tǒng)諧振角頻率為ω,Zs和Zr分別為發(fā)射、接收線圈回路自阻抗,則由圖2(b)可列出KVL回路方程:可得發(fā)射、接收諧振線圈回路的等效回路電流:反映阻抗中的反映電阻在各回路中會消耗能量,反映電抗則影響諧振線圈本身自諧振頻率。兩諧振線圈距離越近,則互感M越大,反映阻抗越大,對諧振線圈影響越明顯。當(dāng)由發(fā)射與接收端線圈回路組成系統(tǒng)處于全諧振,即兩線圈回路均處于諧振狀態(tài)時,其各自反映電抗都等于0,此時兩回路反映阻抗為:兩諧振耦合線圈回路諧振時為純電阻回路,接收與發(fā)射線圈回路等效阻抗Zss和Zrr為:2傳輸效率和傳輸功率分析2.1振幅線圈回路由圖2(b)所示,發(fā)射線圈回路輸入功率Ps及接收線圈回路負(fù)載電阻RL上的輸出負(fù)載功率Po分別為:,故傳輸效率為:由參考文獻(xiàn)可知,發(fā)射與接收線圈有四種不同諧振耦合狀態(tài),分別是:(1)發(fā)射與接收線圈均不諧振;(2)發(fā)射線圈諧振、接收線圈不諧振;(3)發(fā)射線圈不諧振、接收線圈諧振;(4)發(fā)射與接收線圈均諧振。當(dāng)發(fā)射與接收線圈同時諧振,即整個耦合系統(tǒng)發(fā)生全諧振時,諧振線圈回路為純電阻回路且阻抗值最小,流過諧振線圈的電流最大,與其他三種狀態(tài)時相比,此時傳輸功率、效率為最佳狀態(tài)。諧振線圈回路高頻損耗電阻主要包括歐姆損耗電阻(即:線圈內(nèi)阻)R。和輻射損耗電阻Rf。其中,真空磁導(dǎo)率u0=4π×10-7N/A2,空氣介電常數(shù)ε08.85×10-12F/m,σ為電導(dǎo)率,a為導(dǎo)線半徑,l導(dǎo)線長度,r為線圈半徑,n為線圈匝數(shù),h線圈寬度,c0為光速。為保證系統(tǒng)達(dá)到全諧振狀態(tài),發(fā)射與接收端線圈參數(shù)設(shè)計(jì)一致,兩線圈間的互感為:在中距離磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)中,由于Rf<<,線圈損耗中的輻射損耗可忽略不計(jì),此時線圈損耗RsRr=Rf+R0≈R0,式(11)可改為:由式(10)、式(12)、式(13)可得系統(tǒng)傳輸效率η與傳輸距離d、線圈相關(guān)參數(shù)(a,r,n,h,l)及負(fù)載電阻RL之間的關(guān)系。發(fā)射與接收諧振線圈回路中諧振線圈為圓形密繞空心線圈,其參數(shù)為:導(dǎo)線半徑a=1.0mm,線圈半徑r=3.5cm,線圈的匝數(shù)n=15,線圈寬度h=10mm,由HIOKI3532-50LCR分析儀測得線圈電感值為L=27.1μH,設(shè)定C=110nF,則LC并聯(lián)線圈回路諧振頻率f=90kHz,直流電源VCC=12V,固定脈沖驅(qū)動信號頻率f=90kHz。系統(tǒng)傳輸效率η與傳輸距離d、負(fù)載電阻RL之間的關(guān)系曲線如圖3所示。當(dāng)固定電感線圈相關(guān)參數(shù)和傳輸負(fù)載RL時,得到如圖3(a)所示的關(guān)系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸效率會相應(yīng)逐漸降低。當(dāng)固定電感線圈相關(guān)參數(shù)和驅(qū)動脈沖頻率f時,得到如圖3(b)所示的關(guān)系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸效率會相應(yīng)逐漸降低;隨著負(fù)載的變化,效率會出現(xiàn)一個最大值。2.2輸距離d、負(fù)載電阻rl之間的關(guān)系由接收端負(fù)載傳輸功率計(jì)算公式,可得當(dāng)發(fā)射與接收線圈全諧振時,有最大傳輸功率計(jì)算公式:由式(14)可得:傳輸功率與傳輸距離d、負(fù)載電阻RL之間的關(guān)系曲線如圖4所示。當(dāng)固定電感線圈相關(guān)參數(shù)和驅(qū)動脈沖頻率f及負(fù)載RL時,得到如圖4(a)所示的關(guān)系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸功率會相應(yīng)逐漸降低。當(dāng)固定電感線圈相關(guān)參數(shù)和驅(qū)動脈沖頻率f時,得到如圖4(b)所示的關(guān)系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸功率會相應(yīng)逐漸降低;隨著負(fù)載的變化,功率會與之對應(yīng)正相關(guān)變化。3系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)驗(yàn)證本文基于上述理論分析及參數(shù)設(shè)定,實(shí)現(xiàn)了一個諧振頻率為90kHz的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證上述對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率分析的正確性。3.1傳輸效率曲線驗(yàn)證傳輸距離與傳輸功率及效率的關(guān)系時,固定傳輸距離d=3cm,負(fù)載阻值RL=100Ω時,在2%～50%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)脈沖驅(qū)動信號占空比Don,數(shù)據(jù)經(jīng)曲線擬合,得到如圖5所示的驅(qū)動占空比Don傳輸功率及效率η的關(guān)系波形。其中左邊縱軸對應(yīng)傳輸功率曲線坐標(biāo),右邊縱軸對應(yīng)傳輸效率曲線坐標(biāo),圖6與此相同。由圖5看出,(1)接收功率均隨著脈沖驅(qū)動信號占空比Don加大而逐步提高,故可通過調(diào)節(jié)占空比Dm來控制對系統(tǒng)能量的供給;(2)傳輸效率η隨著驅(qū)動信號占空比Don大而先增后減,在Don化中存在著一極大值點(diǎn)。脈沖驅(qū)動信號占空比Don加,意味著電源向發(fā)射諧振線圈回路所提供能量的增加,近區(qū)場磁場強(qiáng)度增強(qiáng),接收諧振線圈中感應(yīng)交變電流變大,與之并聯(lián)電容的電壓變大,最終供給負(fù)載的功率變大;當(dāng)Don加到某一值后,達(dá)到接收端負(fù)載功率最大值,此時即是傳輸效率η極大值點(diǎn)所對應(yīng)的占空比DonM;當(dāng)Don于DonM時,負(fù)載端測得功率雖仍然增加,但此時發(fā)射端波形畸變,處于失諧狀態(tài),功率損耗在接收端電感線圈內(nèi)阻及寄生電阻上,電感線圈開始發(fā)熱,傳輸效率η開始下降。綜上所述,驅(qū)動占空比Don要結(jié)合傳輸功率與傳輸效率兩個方面因素綜合考慮,從而得到傳輸功率和傳輸效率的最優(yōu)化。3.2驅(qū)動信號占空比d的影響驗(yàn)證傳輸距離與傳輸功率及效率的關(guān)系時,通過固定脈沖驅(qū)動占空比Don=15%,在負(fù)載阻值RL=100Ω時,在1cm～10cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)傳輸距離d,測得數(shù)據(jù)經(jīng)曲線擬合,得到d與傳輸功率及效率η關(guān)系波形如圖6所示。由圖5可以看出,(1)傳輸功率隨著傳輸距離d的增大而逐漸降低;(2)在傳輸距離d較近時,傳輸效率η隨著d的增大而逐漸增大,當(dāng)η增大到某一個極大值點(diǎn)后,又出現(xiàn)了下降的趨勢。驅(qū)動信號占空比Don定,則電源向發(fā)射諧振線圈回路提供的能量不變,近區(qū)場磁場強(qiáng)度不變。傳輸距離d的逐漸變大,穿過接收線圈的交變磁場的磁力線數(shù)量減少,導(dǎo)致接收線圈中交變電流變小,與之并聯(lián)電容電壓降低,供給負(fù)載的功率降低;當(dāng)d增加到某一值后,達(dá)到接收端負(fù)載功率最大值,此時即是傳輸效率η的極大值點(diǎn)所對應(yīng)的傳輸距離dM;當(dāng)d大于dM時,負(fù)載端測得功率雖仍然增加,但此時發(fā)射端線圈波形畸變,處于失諧狀態(tài),有部分功率損耗在接收