磁耦合諧振式無線電能傳輸系統頻率特性分析

(1.石河子大學 機械電氣工程學院， 新疆 石河子　832003；2.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室， 重慶　400044)

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磁耦合諧振式無線電能傳輸系統頻率特性分析

蘭永均1，龔立嬌1，2，蔡新紅1，李宏偉1

(1.石河子大學 機械電氣工程學院， 新疆 石河子832003；2.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室， 重慶400044)

根據等效電路模型得出了影響線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統與外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統傳輸功率和傳輸效率的因素，分析了這2種系統的頻率特性，實驗結果表明：線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統沒有發生頻率分裂現象且具有較大的傳輸功率，而外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統諧振頻率受線圈等效并聯電容和外接串聯電容的影響，導致系統在收發線圈間距離小于某一臨界值時發生了頻率分裂現象。

無線電能傳輸； 磁耦合諧振； 頻率特性； 頻率分裂

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1131.015.html

0　引言

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術是利用2個或多個具有相同諧振頻率、高品質因數的電磁系統，當其處于諧振狀態時彼此之間發生強烈的能量交換，從而通過非輻射近場實現能量高效率傳輸的一種技術[1-4]。目前國內外對該技術尤其關于頻率分裂方面的研究還處于起步階段。參考文獻[5]提出在磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗過程中可以由近及遠地改變收發線圈間的距離，同時調節信號發生器的輸出頻率使傳輸效率在每個距離處均達到最大，這在一定程度上可以減小頻率分裂對能量傳輸的影響，但并沒有從根本上消除頻率分裂現象，而且工作量較大。參考文獻[6]提出在源線圈與發射線圈、接收線圈與負載線圈之間加入調整匹配網絡來消除由于距離變化引起的頻率分裂現象，然而額外的匹配網絡會增加系統的能量損耗。參考文獻[7-8]對頻率分裂現象的研究主要是針對電磁感應式無線電能傳輸系統，結論具有一定的局限性。

本文根據磁耦合諧振式無線電能傳輸系統中是否外接串聯電容,將其分為線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統和外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統2種類型，分別建立了這2種系統的數學模型，分析了影響系統傳輸功率、傳輸效率的關鍵參數，并對這2種系統的頻率特性進行了對比實驗，得出了頻率分裂現象發生的原因。

1　系統建模

1.1線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統

圖1　線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統等效電路

根據基爾霍夫電壓定律可得

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

由圖1可知

(4)

由于Z12?Z11，所以

(5)

(6)

系統傳輸功率為

(7)

系統傳輸效率為

(8)

1.2外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統

外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統除了外接串聯電容外，其他部分結構與線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統相同，其等效電路如圖2所示,其中C3，C4分別為與發射線圈、接收線圈串聯的電容。

圖2　外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統等效電路

由圖2可知，系統發射端總阻抗為

(9)

接收端總阻抗為

(10)

系統傳輸功率為

(11)

系統傳輸效率為

(12)

1.3模型分析

由式(7)、式(8)、式(11)和式(12)可知：當線圈、電源電壓和負載確定后，線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統與外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統的傳輸功率和傳輸效率均與頻率和互感系數有關，其中互感系數是關于收發線圈間距離的函數[9-10]。所以，影響2種系統電能傳輸性能的主要參數為頻率和收發線圈間距離。此外，外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統的傳輸性能還與外接串聯電容密切相關。

2　實驗分析

2.1實驗參數

在實驗室搭建了線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統，其中發射線圈和接收線圈采用相同的雙層螺線管線圈，線圈參數：銅線直徑為0.29mm,線圈外徑為15.4mm,線圈高度為8.0mm,線圈匝數為52。利用阻抗分析儀LCR-8105測量螺線管線圈的動態阻抗特性，得到阻抗模、電抗、阻抗角曲線，如圖3所示。

圖3　線圈阻抗模、電抗、阻抗角測試曲線

由圖3可知，頻率約為2.93MHz時，阻抗模達到最大值15.56kΩ，螺線管線圈發生并聯諧振；頻率約為2.88MHz時，電抗(顯感性)達到最大值。

2.2實驗結果

實驗過程中，由近及遠地改變收發線圈間的距離，同時在各個距離處通過掃頻得到線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統頻率、傳輸功率和收發線圈間距離的關系，如圖4所示。其中，使系統傳輸功率在各個距離處達到最大值時的頻率即為系統的諧振頻率。

圖4　線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統頻率、傳輸功率和收發線圈間距離的關系

由圖4可知：① 線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統的諧振頻率不隨收發線圈間距離的變化而改變，始終保持在2.85MHz，該頻率與阻抗分析儀測得的單個線圈諧振頻率略有差別，這是由收發線圈間電磁耦合作用引起的；② 隨著頻率增加，系統傳輸功率開始緩慢增加，當接近諧振頻率后傳輸功率迅速上升，到諧振頻率點時傳輸功率達到最大值，此后隨著頻率繼續增加，傳輸功率迅速下降，當遠離諧振頻率后，傳輸功率下降速度減緩；③ 當系統處于諧振狀態時，隨著收發線圈間距離的增大，開始時傳輸功率下降迅速，大于一定值后下降速度減緩。

在線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統的基礎上，在發射線圈和接收線圈處分別串聯1個完全相同的電容，當電容分別為40，60，80pF時，測得外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統頻率、傳輸功率和收發線圈間距離的關系如圖5所示。

由圖5可知：① 外接串聯電容可以調節系統的諧振頻率，且電容的大小對系統傳輸功率也有一定影響，選擇合適的電容能提高系統的傳輸功率；② 外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統在收發線圈間距離較近時會發生頻率分裂現象，即當收發線圈間距離小于某一臨界值時，隨著系統工作頻率逐漸變化，系統的傳輸功率會出現2個極大值，而且距離越近，分裂現象越明顯；③ 外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統發生頻率分裂時，其中一個頻率始終沒有發生改變，而且該頻率與線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統的諧振頻率相近，另一個頻率則隨外接串聯電容的增大而減小。

2.3結果分析

線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統沒有發生頻率分裂現象，且傳輸功率與外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統相比更大。外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統發生了頻率分裂現象，是因為其諧振頻率不僅受線圈等效并聯電容的影響，還受外接串聯電容的影響，二者共同作用導致系統在不同工作頻率下存在多個諧振頻率點：當電源電壓頻率達到串聯諧振頻率f1時，系統發生串聯諧振；當電源電壓頻率達到并聯諧振頻率f2時，系統發生并聯諧振。

(a) 外接串聯電容40 pF

(b) 外接串聯電容60 pF

(c) 外接串聯電容80 pF

外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統在收發線圈間距離小于某一臨界值時出現頻率分裂現象，大于該臨界值時頻率分裂現象消失的原因可能與互感系數有關。收發線圈間距離較近，處于f1和f2處系統的有效傳輸距離內時，系統傳輸功率在f1和f2處均會出現峰值，產生頻率分裂現象；隨著收發線圈間距離增加，互感系數迅速減小，當收發線圈間距離大于f1處系統的有效傳輸距離后，系統傳輸功率在f1處不會出現明顯的峰值，而這個距離還處于f2處系統的有效傳輸距離內，所以頻率增大到f2時，系統發生諧振，傳輸功率達到峰值。

3　結語

通過對2種類型的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統頻率特性的分析，得出以下結果：線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統隨著工作頻率變化沒有出現頻率分裂現象，且傳輸功率較大；外接串聯電容調諧時磁耦合無線電能傳輸系統在收發線圈間距離小于某一臨界值時發生了頻率分裂現象，原因是系統受外接串聯電容與線圈等效并聯電容共同作用，存在串聯諧振頻率點和并聯諧振頻率點。因此，實際應用中可以通過合理設計線圈，盡量避免外接串聯電容，從而消除頻率分裂現象。

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Analysisoffrequencycharacteristicsofmagneticcoupledresonantwirelesspowertransmissionsystem

LANYongjun1,GONGLijiao1,2,CAIXinhong1,LIHongwei1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi832003,China; 2.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipmentandSystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Factorsthataffecttransmissionpowerandefficiencyofmagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonself-resonancecoilsandmagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonseriescapacitortuningwereobtainedaccordingtoequivalentcircuitmodels,andfrequencycharacteristicsofthetwosystemswereanalyzed.Theexperimentalresultsshowthatthereisnofrequencysplittinginthemagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonself-resonancecoilswithlargertransmissionpower,whilethereisfrequencysplittinginthemagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonseriescapacitortuningwhendistancebetweenreceivingcoilandsendingcoilislessthanacriticalvalue,becauseresonantfrequencyisinfluencedbycoilequivalentshuntcapacitanceandexternalseriescapacitance.

wirelesspowertransmission;magneticcoupledresonance;frequencycharacteristic;frequencysplitting

1671-251X(2016)05-0067-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.015蘭永均，龔立嬌，蔡新紅,等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統頻率特性分析[J].工礦自動化，2016,42(5)：67-70.

2016-01-02；

2016-04-02；責任編輯：盛男。

國家重點實驗室訪問學者項目(2007DA10512713407)。作者簡介：蘭永均(1990-)，男，山西原平人，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸，E-mail:593059677@qq.com。

龔立嬌(1978-)，女，甘肅武威人，副教授，博士，研究方向為傳感測試系統及其輸配電技術，E-mail:glj_mac@shzu.edu.cn。

TD67

A網絡出版時間：2016-04-29 11:31