無線電能傳輸系統設計與分析

趙 鑫

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

0 引 言

無線電能傳輸技術最早由尼古拉·特斯拉提出,21世紀初,美國麻省理工學院(MIT)研究人員提出了強耦合電磁諧振原理,并隔空點亮了一個60 W燈泡,有效距離2.74 m,此項實驗引起世界注目[1]。因為能夠有效地克服傳統有線供電方式存在的操作靈活性差、易產生接觸火花、電線暴露腐壞等問題,所以其應用前景十分廣闊,特別是在電動汽車充電系統、無線傳感網絡、小型移動工具、工業機器人、航空航天、軍事、醫療器械、油田礦井、水下作業等幾乎所有移動用電領域以及易燃易爆等嚴苛環境中,都有極大的應用價值。

1 無線能量傳輸技術理論

電磁場發生源周圍空間中的交變電磁場可以分為:近區場(又稱感應場)和遠區場(又稱輻射場),前者的電磁場能量約束在發生源周圍空間,周期性地來回流動,而后者的電磁場能量則以電磁波的形式向外發射[2]。

無線能量傳輸技術通常采用的互感耦合模型,初級發射端由直流輸入,經過逆變形成一定頻率的交流源,發射線圈產生交變磁場,次級接收端電路發生諧振耦合發射線圈的能量,供給負載[3-4]。

2 電感電容串聯-串聯電路建模分析

電容電感串聯-串聯與電容電感串聯-并聯2種拓撲結構目前最為常用[5],這里只深入解析串聯-串聯拓撲結構的傳輸特性,串聯-串聯諧振耦合模型如圖1所示。電流方程:

圖1 串聯-串聯諧振耦合模型

式 中:M=K L1L2;ω1=1/(L1C1);ω2=R/(2L2);β1,β2分別為初次級回路的阻尼系數。

3 串聯-串聯結構下工作頻率、耦合系數對傳輸特性影響的分析

為了解析工作頻率、耦合系數、負載對系統傳輸特性的影響,主要是對傳輸功率、傳輸效率的影響,現利用Matlab仿真計算。其傳輸特性變化曲線如圖2所示。設定系統的諧振頻率10 k Hz左右,初級回路L1=1 000μH,C1=0.3μF,R1=0.8Ω,次級回路L2=1 000μH,C2=0.3μF,R2=0.8Ω,源端U=220 V,RL取60Ω。

圖2 傳輸特性變化曲線

結合圖1、圖2可以看出,耦合系數存在最優值,耦合系數過小,諧振狀態下,初級回路中的反映阻抗過小,能量難以耦合,初級發射端趨近短路,造成電流和功率急劇增大,雖然傳輸到次級接收端的功率相應增大,但傳輸效率下降;耦合系數過大,諧振狀態下,初級回路中的反映阻抗過大,傳輸功率開始下降,趨同于初級發射端的功率,但傳輸效率增大。

傳輸功率和傳輸效率最大時的頻率并不完全吻合,但在特定的電磁結構下(電容、電感、內阻、頻率、負載、耦合系數),兩者能夠重合。在設計傳輸系統時,需選好耦合系數,設計電路時須綜合考慮傳輸功率、效率、初級發射端電流,平衡相互的關系。

4 串聯-串聯結構下工作頻率、負載對傳輸特性影響的分析

將工作頻率f、負載RL對系統傳輸特性的影響結合來看,耦合系數K取0.3。

結合兩圖可以看出,諧振狀態下,當負載逐漸減小,諧振頻率點從1個逐漸變為2個;負載的取值過大時,系統傳輸功率會急劇上升,而傳輸效率出現明顯下降。其傳輸特性變化曲線如圖3所示。

由此可見,負載存在一個值域范圍,串聯-串聯結構選用負載值相對較小為宜。

圖3 傳輸特性變化曲線

5 多接收端能量傳輸系統分析

基于1個發射端和1個接收端的拓撲結構理論分析,可擴展至1個發射端對多個次級接收端供電,在無線傳感器網絡中,假設系統存在2n+2個接收端。多接收端系統示意圖如圖4所示。

對2n+2個接收端進行電路等效模型分析,每一個接收端是一個回路[6],則:

圖4 多接收端系統示意圖

式中:Mmn=kmnLmLn。

設L3i=L3,C3i=C3,Rp3i=Rp3,L4i=L4,RLi=RL,M34i=M34(i=1,2,…,n),每個接收端與發射源的相對位置不同,導致M23i各不相同。

可計算回路3i與回路4i的阻抗,回路4i反映到回路3i中的等效阻抗,……,直到第i個接收端反映到回路2中的等效阻抗。除了計算等效總阻抗,還可以計算分析接收端與發射端之間的互感和耦合系數等一系列特性。

6 結束語

本文通過建立電容電感串聯的電路模型,優化算法,利用Matlab仿真計算對電路模型中各參數進行了理論分析,特別是耦合系數、頻率、負載值對傳輸特性的影響,對無線電能傳輸技術后續應用發展具有重大意義。