傳輸距離對諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的影響

曾智強(qiáng)，陳為

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建　福州　350116)

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傳輸距離對諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的影響

曾智強(qiáng)，陳為

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建福州350116)

發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離是設(shè)計(jì)無線電能傳輸系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵影響因素。距離的變化對于系統(tǒng)的輸出功率和效率都會產(chǎn)生影響。先利用兩線圈的互感耦合模型，從電路的角度計(jì)算出系統(tǒng)輸出功率和效率與耦合系數(shù)的關(guān)系式再通過ansoft軟件仿真得到距離和耦合系數(shù)的關(guān)系，從而得到最大功率點(diǎn)的位置及效率隨距離變化的改變情況。最后，設(shè)計(jì)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真、理論分析具有較好的一致性。這為設(shè)計(jì)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)時(shí)選擇合適的耦合系數(shù)提供了參考依據(jù)。

磁耦合諧振式；無線電能傳輸系統(tǒng)；傳輸距離；輸出功率；效率

1　引言

由于電源和負(fù)載之間不存在電纜的連接，無線電能傳輸技術(shù)相比于傳統(tǒng)的接觸式電能傳輸技術(shù)更加安全、便捷和可靠。在某些特定的場合比如高壓取電、電動汽車充電、油田和礦井的開采等無線電能傳輸技術(shù)都具有不可比擬的優(yōu)越性。因此，無線電能傳輸技術(shù)越來越受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的關(guān)注。美國《技術(shù)評論》雜志評選無線電能傳輸技術(shù)為未來十大科研方向之一。

實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)姆绞接校何⒉?、激光、感?yīng)耦合、磁耦合諧振、電場耦合方式等[1]。其中，微波、激光屬于遠(yuǎn)場輻射能量傳輸技術(shù)，是遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸方式。主要用于太空、軍事等科技領(lǐng)域。感應(yīng)耦合則屬于近場無線電能傳輸技術(shù)，是近距離的無線電能傳輸方式。其傳輸距離很短，且效率較低。而磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)是在感應(yīng)耦合技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了諧振環(huán)節(jié)，所以其傳輸距離較后者更遠(yuǎn)，效率更高。同時(shí)它具有對傳輸介質(zhì)依賴小、電磁輻射小、方向性要求不高的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用范圍更廣泛的新型無線電能傳輸技術(shù)[2]。

目前，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)在系統(tǒng)頻率一致性、最佳接收距離、功率和效率提升等方面都存在一些亟待解決的問題。文獻(xiàn)[3]分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中有效傳輸距離與線圈半徑、線徑、角頻率、電導(dǎo)率的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]研究了磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)的距離特性研究，分析了傳輸距離與頻率、線圈線徑、直徑、電感以及電容之間的關(guān)系，并提出提高能量傳輸距離的方法。文獻(xiàn)[5]通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析了傳輸效率與頻率、距離的關(guān)系。本文主要是研究傳輸距離與效率和功率的關(guān)系，將效率和功率結(jié)合起來觀察以體現(xiàn)不同距離下電能的傳輸率和利用率。

2　無線電能傳輸系統(tǒng)模型

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的分析模型主要是在耦合模、互感等效電路和二端口網(wǎng)絡(luò)這三種理論基礎(chǔ)上建立的[6-8]。本文將從互感等效電路模型出發(fā)，分析耦合系數(shù)k和輸出功率、效率的關(guān)系。如圖1為磁耦合結(jié)構(gòu)的互感等效電路模型，利用電流控制電壓源CCVS表示互感電壓的作用。其中，Us為正弦電壓源的電壓有效值，Rp、Rs分別為發(fā)射側(cè)和接收側(cè)的線路阻抗，Cp、Cs分別為發(fā)射側(cè)和接收側(cè)的諧振電容，Lp、Ls分別為發(fā)射側(cè)和接收側(cè)的電感，Ro是負(fù)載電阻。

圖1　磁耦合結(jié)構(gòu)的互感等效電路模型

根據(jù)圖1所示的電流正方向和基爾霍夫電壓定律可以列出雙網(wǎng)孔方程式(1)和式(2)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

3　磁耦合系統(tǒng)仿真

由于耦合系數(shù)k與傳輸距離的數(shù)學(xué)關(guān)系式過于繁雜，因此利用Maxwell 2D/3D仿真軟件進(jìn)行仿真以分析耦合系數(shù)k和傳輸距離的關(guān)系。Maxwell 2D/3D仿真軟件可以分析渦流、位移電流、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等具有不可忽視作用的系統(tǒng)，是業(yè)界最佳的高性能電磁設(shè)計(jì)軟件。本文建立了如圖2所示的磁耦合系統(tǒng)的ansoft仿真模型。為了簡化二維模型，將發(fā)射線圈和接收線圈等效為圖中長條形的圓盤線圈，建立ROZ坐標(biāo)上的二維對稱模型。其中，圓盤線圈的內(nèi)徑為70mm，外徑為230mm，兩線圈之間的距離為h。

圖2　 磁耦合系統(tǒng)的ansoft仿真模型

然后利用ansoft軟件對h進(jìn)行參數(shù)化仿真，設(shè)置步長為50mm,范圍為50mm-800mm。如表1所示為在兩線圈距離h=150mm情況下，發(fā)射線圈和接收線圈的單匝自感量和互感量。

表1　ansoft仿真的電感量(h=150mm)

由于發(fā)射線圈和接收線圈屬于空芯線圈，是線性電感。隨著距離h的變化，僅互感感量會隨著變化，而自感感量幾乎不變。如圖3所示為耦合系數(shù)k隨距離h變化趨勢圖。由圖可以看出距離越遠(yuǎn)，耦合系數(shù)k越小。

圖3　耦合系數(shù)k隨h的變化趨勢圖

4　仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1saber仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論的正確性，建立了如圖4所示的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)電路仿真圖。輸入正弦電壓幅值10V，頻率25kHz，負(fù)載10Ω，發(fā)射側(cè)電感800uH，發(fā)射側(cè)諧振電容50.66nH，發(fā)射側(cè)線路阻抗1Ω，接收側(cè)電感1.259mH，接收側(cè)諧振電容32.19nH，接收側(cè)線路阻抗1.3Ω。

圖4　諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)電路仿真圖

圖5　不同耦合系數(shù)k下的輸出電壓波形

再次改變耦合系數(shù)k，當(dāng)k∈[0.001,0.1]時(shí)，輸出電壓隨著耦合系數(shù)k的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在k=0.021時(shí)取得最大值，如圖6所示。由于此時(shí)，負(fù)載保持不變，所以輸出功率的變化趨勢與輸出電壓的變化趨勢保持一致。而效率則隨著耦合系數(shù)k的增大不斷增大，如圖7所示。

圖6　耦合系數(shù)k與輸出電壓有效值的關(guān)系圖

圖7　耦合系數(shù)k與效率的關(guān)系圖

4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用全橋逆變的輸出作為激勵(lì)源，發(fā)射側(cè)電感和電容、接收側(cè)的電感和電容以及負(fù)載與仿真參數(shù)一致，實(shí)際電路圖如圖8所示。

圖8　磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)圖

根據(jù)上述磁耦合系統(tǒng)仿真的電感參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，繞制了發(fā)射側(cè)電感和接收側(cè)的電感，如圖9所示。其匝數(shù)由式(8)和式(9)決定。

(8)

(9)

圖9　磁耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖10為距離為25cm,輸入電壓為10V時(shí)接收側(cè)電壓和電流波形，從圖中可以看出電壓電流同相位，說明接收側(cè)完全諧振。而圖11距離為30cm時(shí)接收側(cè)電壓和電流波形，距離改變使得電壓幅值發(fā)生改變，但電壓電流的相位仍保持一致，即距離改變沒有影響接收側(cè)諧振狀態(tài)。

圖10　距離25cm時(shí)輸出電壓和輸出電流波形

圖11　距離30cm時(shí)輸出電壓和輸出電流波形

圖12為距離為25cm,輸入電壓為10V時(shí)逆變器輸出電壓和輸入電流波形，從圖中可以看出電壓電流同相位，說明發(fā)射側(cè)也完全諧振。而圖13距離為30cm時(shí)逆變器輸出電壓和輸入電流波形，距離改變使得電壓幅值發(fā)生改變，但電壓電流的相位仍保持一致，即距離改變沒有影響發(fā)射側(cè)的諧振狀態(tài)。

圖12　距離25cm時(shí)逆變器輸出電壓和輸入電流波形

在上述參數(shù)固定的情況下，改變傳輸距離從50～700mm，步長為50mm，得到不同距離下的輸入電流i1，輸出電流io，由此可以通過式(10)得到此時(shí)的耦合系數(shù)k。然后將實(shí)際得到的耦合系數(shù)與磁耦合系統(tǒng)仿真的耦合系數(shù)進(jìn)行對比，如圖14所示。由圖可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)際測量得到的結(jié)果幾乎重合。證明了仿真結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。同時(shí)也就確定了在這個(gè)磁耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，耦合系數(shù)與傳輸距離的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。

圖13　距離30cm時(shí)逆變器輸出電壓和輸入電流波形

(10)

圖14　仿真與實(shí)際耦合系數(shù)和傳輸距離關(guān)系對比圖

圖16為輸入電壓分別為8V、10V、12V、15V時(shí)效率與距離h的關(guān)系。從圖可以看出，效率隨著距離的增大而減小，且輸入電壓越大，效率會有所增加。當(dāng)距離h<20cm時(shí)，效率進(jìn)入一個(gè)平緩增加區(qū)間，即距離再減小(耦合系數(shù)再增大)，效率雖然會繼續(xù)增加，但是增加的幅度也不會太大。

圖15　不同輸入電壓下輸出電壓與距離的關(guān)系圖

圖16　不同輸入電壓下輸出效率與距離的關(guān)系圖

5　結(jié)論

本文基于互感耦合理論模型分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

(1)隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)的輸出功率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。而效率隨著傳輸距離的增大而不斷減小；

(2)最大功率點(diǎn)的位置與諧振頻率、發(fā)射側(cè)的電感量和線路阻抗、接收側(cè)的電感量和線路阻抗、負(fù)載有關(guān)，與輸入電壓無關(guān)；

(3)系統(tǒng)的效率隨著傳輸距離的減小會進(jìn)入一個(gè)平緩增長區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間可以通過犧牲極小的效率來增大傳輸距離，同時(shí)提高傳輸功率。

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The Effect of Transmission Distance on Magnetic Resonances Based Wireless Energy Transfer System

ZENG Zhi-qiang,CHEN Wei

(College of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University,Fuzhou,350116,China)

The distance between transmitting coil and receiving coil is the key factor for the design of wireless power transmission system.The output power and efficiency of system will be affected by the variation of the distance.In this paper,the relationship between coupling coefficient and the output power and efficiency of system is analyzed based on coupling model of two coils.Then the relationship between the distance and the coupling coefficient is simulated by ansoft software and the position of the maximum power point and the change of efficiency are obtained.Finally,equivalent circuit model is designed and experimental results are well consistent with the simulation,and theoretical analysis.It provides a reference for selecting the appropriate coupling coefficient when designing the magnetic resonances based wireless energy transfer system.

coupled magnetic resonances;wireless energy transfer system;output power;efficiency

1004-289X(2016)01-0060-06

TM72

B

2015-01-13

曾智強(qiáng)(1990-)，男，福建省泉州市人，碩士研究生，主要從事無線電能傳輸技術(shù)、電力電子功率變換及高頻磁技術(shù)的研究。