基于磁耦合諧振的中距離無線電能傳輸技術

基于磁耦合諧振的中距離無線電能傳輸技術

19世紀末，莎拉提出了能傳輸廣播的概念，并于1902年申請了相關技術的專利。此后多年,國外一些科學家雖對此進行著研究,并在近距離感應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,并于2007年6月通過實驗成功地在距離2m多外將一個60W的燈泡點亮。根據(jù)無線電能傳輸技術原理,可將無線電能傳輸方式分為電磁波式、電磁感應式、磁耦合諧振式等三種傳輸技術方式。電磁波式無線電能傳輸技術的實質就是用微波束來代替輸電導線,通過自由空間實現(xiàn)電能的無線傳輸。該技術特點: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。電磁感應式無線電能傳輸技術可以看作是一個松耦合的變壓器,利用電磁感應原理,初、次級線圈間通過電磁感應產(chǎn)生感應電流,將能量從發(fā)射端轉移到接收端。其特點是可達到較大傳輸功率,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結合了上述兩種技術優(yōu)點的同時,又克服了其不足。與感應式技術相比,其能量傳輸距離更遠——可中距離傳輸(幾倍于諧振線圈直徑);與電磁波式技術相比,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,通過調節(jié)驅動信號占空比Don、無線電能傳輸距離d以及接收負載阻值RL等相關參數(shù)的一系列理論分析,并通過實驗驗證,得到了與無線電能傳輸功率、效率之間的關系。1磁極磁共振無線能傳輸技術原理1.1磁耦合振幅式無線電能傳輸技術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)生更強耦合,從而更有效地進行能量轉移。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術,就是利用磁耦合和諧振技術來實現(xiàn)電能的無線傳輸。其理論基礎是耦合模式理論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耦合從而進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構成的發(fā)射端諧振線圈回路,在高頻脈沖信號驅動下,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)過強磁耦合諧振,由Lr和Cr構成的接收端諧振線圈回路進行能量接收,從而實現(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、高頻驅動兩大模塊組成。在諧振系統(tǒng)中,通過調節(jié)高頻驅動信號相關參數(shù)(電壓幅度、頻率f和占空比Don等)來控制開關管的開關及通斷,從而使得電源Voc在高頻驅動信號的控制下,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載。其對應的電路模型如圖2(a)所示,MOS管導通時,電源向發(fā)射端LC諧振線圈回路注入高頻脈沖電流;MOS管關斷時,發(fā)射端LC諧振線圈回路A點懸空,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。為便于分析和計算,MOS管關斷時,將圖2(a)轉換成如圖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及接收線圈回路負載電阻RL上的輸出負載功率Po分別為:,故傳輸效率為:由參考文獻可知,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:線圈內阻)R。和輻射損耗電阻Rf。其中,真空磁導率u0=4π×10-7N/A2,空氣介電常數(shù)ε08.85×10-12F/m,σ為電導率,a為導線半徑,l導線長度,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)達到全諧振狀態(tài),發(fā)射與接收端線圈參數(shù)設計一致,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,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、線圈相關參數(shù)(a,r,n,h,l)及負載電阻RL之間的關系。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,固定脈沖驅動信號頻率f=90kHz。系統(tǒng)傳輸效率η與傳輸距離d、負載電阻RL之間的關系曲線如圖3所示。當固定電感線圈相關參數(shù)和傳輸負載RL時,得到如圖3(a)所示的關系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸效率會相應逐漸降低。當固定電感線圈相關參數(shù)和驅動脈沖頻率f時,得到如圖3(b)所示的關系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸效率會相應逐漸降低;隨著負載的變化,效率會出現(xiàn)一個最大值。2.2輸距離d、負載電阻rl之間的關系由接收端負載傳輸功率計算公式,可得當發(fā)射與接收線圈全諧振時,有最大傳輸功率計算公式:由式(14)可得:傳輸功率與傳輸距離d、負載電阻RL之間的關系曲線如圖4所示。當固定電感線圈相關參數(shù)和驅動脈沖頻率f及負載RL時,得到如圖4(a)所示的關系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸功率會相應逐漸降低。當固定電感線圈相關參數(shù)和驅動脈沖頻率f時,得到如圖4(b)所示的關系曲線:隨著傳輸距離的逐漸增大,傳輸功率會相應逐漸降低;隨著負載的變化,功率會與之對應正相關變化。3系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)驗證本文基于上述理論分析及參數(shù)設定,實現(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),通過實驗來驗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傳輸效率曲線驗證傳輸距離與傳輸功率及效率的關系時,固定傳輸距離d=3cm,負載阻值RL=100Ω時,在2%～50%的范圍內調節(jié)脈沖驅動信號占空比Don,數(shù)據(jù)經(jīng)曲線擬合,得到如圖5所示的驅動占空比Don傳輸功率及效率η的關系波形。其中左邊縱軸對應傳輸功率曲線坐標,右邊縱軸對應傳輸效率曲線坐標,圖6與此相同。由圖5看出,(1)接收功率均隨著脈沖驅動信號占空比Don加大而逐步提高,故可通過調節(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。脈沖驅動信號占空比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)場磁場強度增強,接收諧振線圈中感應交變電流變大,與之并聯(lián)電容的電壓變大,最終供給負載的功率變大;當Don加到某一值后,達到接收端負載功率最大值,此時即是傳輸效率η極大值點所對應的占空比DonM;當Don于DonM時,負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,驅動占空比Don要結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驅動信號占空比d的影響驗證傳輸距離與傳輸功率及效率的關系時,通過固定脈沖驅動占空比Don=15%,在負載阻值RL=100Ω時,在1cm～10cm范圍內調節(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η增大到某一個極大值點后,又出現(xiàn)了下降的趨勢。驅動信號占空比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,供給負載的功率降低;當d增加到某一值后,達到接收端負載功率最大值,此時即是傳輸效率η的極大值點所對應的傳輸距離dM;當d大于dM時,負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