《电子技术应用》

接收端并联谐振的耦合式无线供电系统

2016年电子技术应用第1期 作者:张天予,张瑞成,耿晓红,吕 萌,李志权
2016/2/22 15:10:00

    摘  要: 为了解决传统电磁感应式无线输电的低效率问题,设计了谐振耦合式无线输电系统,并通过理论计算、电路设计与仿真,分析了谐振耦合式的无线电能传输的效率影响因素以及线圈强耦合下所产生的频率分裂现象。在理论分析的基础上,制作了无线电能传输装置,包括直流电源、高频逆变电路、发射接收线圈、整流电路。实验结果表明,当接收端采用串联谐振时,负载越小,效率越高;当接收端采用并联谐振时,负载越大,效率越高。

    关键词: 无线电能传输;高频逆变电路;谐振耦合式;并联谐振

0 引言

    进入21世纪后,电气领域发展突飞猛进,无线输电也成为这个领域的一个重要研究方向。早在1889年,美国科学家特斯拉便提出了无线电能传输的设想[1-3]。现代无线输电主要有3种形式:电磁感应式无线电能传输;谐振耦合式无线电能传输;激光、微波为载体的无线电能传输[4-5]。2007年,美国麻省理工大学MIT研究组成功利用谐振耦合式无线电能传输原理,将一个60 W的灯泡在相隔2 m的距离点亮,且传输效率高达40%~50%,为近年来无线电能传输的研究打下了基础[6-8]

1 无线输电系统模型及原理

    谐振耦合无线输电系统示意图如图1所示。系统分为发射电路与接收电路,直流电源与高频逆变电路共同组成了高频正弦交流电源,再经由谐振电容与发射线圈产生谐振,使得发射线圈与接收线圈发生谐振强耦合,从而大大提高传输效率。

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2 高频逆变电路

    为了提高无线传输效率,通常系统的谐振频率采用1 MHz~50 MHz的射频段,为此在逆变电路的设计上采用了高频高效率的E类逆变电路,其基本原理如图2所示。

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    图中电源支路的电感L1为扼流电感,使其流过电流恒定,其值足够大即可,并联电容C1主要辅助电路完成谐振,并降低开关管损耗,RLC支路中电感Lr和电容Cr构成谐振回路,电阻R为负载,开关管触发信号采用1 MHz脉冲波。本文中负载R为无线发射线圈及其谐振电容,通过逆变后发射线圈两端电压波形如图3。

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3 无线收发电路谐振方式设计

3.1 谐振方式研究

    接收线圈采用串联谐振时,与发射线圈耦合等效电路如图4。

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    串联谐振在理想情况下,电感与电容上电流为无穷大,为在发射线圈上产生较大电流以获得较强磁场,故在发射端采用串联谐振方式。

    根据KVL定律,可得:

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式中,Us为电源电压,R1为发射线圈寄生电阻,I1为发射回路电流(即发射线圈励磁电流),RL为负载电阻,I2为接收回路电流,ω为系统角频率,M为两线圈间互感系数。通过公式可以看出,负载阻抗越大,传输效率越低。

    两线圈同轴时,互感系数计算如下:

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式中,μ0为真空磁导率4.7×10-7H/m,n1为发射线圈匝数,n2为接收线圈匝数,r1为发射线圈半径,r2为接收线圈半径,d为两线圈间距离。

    接收线圈采用并联谐振时,与发射线圈耦合等效电路如图5。

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    根据KVL定律,得到:

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式中参数意义同上,通过公式可以看出,负载阻抗越大,传输效率越高。

3.2 谐振线圈参数设计

    谐振线圈的设计要考虑三个因素:与谐振电容匹配的电感量;匝数与线圈直径对传输效率的影响;体积与便携性。

    线圈匝数和线圈直径对互感系数影响参考式(6),电感与电容谐振的计算公式如下:

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4 整流电路设计

    在此整流电路采用典型的不可控全桥整流电路,由于系统频率为1 MHz高频,所以直接通过电容滤波后即可得到稳定的直流电能。整流电路原理图如图6。

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5 实验结果及分析

    (1)谐振频率

    利用式(5)、式(6)可得图7所示的关系曲线,图7给出了当逆变电源功率一定时频率与线圈距离对效率的影响,当线圈间距离固定,提高LC谐振频率可极大地提高无线传输效率。

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    (2)中继线圈

    经过实验证明,两线圈相距为18 cm时,接收端接收到的功率不足以点亮小灯,而当在两线圈间加入谐振线圈后,小灯点亮,效率约为65%。

    由此可知,中继线圈可以提高传输距离,改变传输方向,可提高传输效率。加入中继线圈的电路模型如图8所示。

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    (3)线圈直径

    利用式(5)和式(6)可得图9所示的关系曲线,分别绘制了线圈直径为7 cm、匝数为25,线圈直径为16 cm、匝数为5时效率与距离之间的关系。

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    由图9可知,当线圈电感量不变,线圈直径增大、匝数减少时,传输效率有明显增加。所以应该在励磁电流足够提供所需磁场强度的情况下,尽量提高线圈的直径。

    (4)强耦合造成的频率分裂

    当两线圈距离很近时,使得互感系数M增大,这种变化可等效看做改变了电感量,从而破坏了电感与电容之间的谐振状态,其谐振频率也因此改变。此时,因为发射线圈处于失谐状态,使得传输效率下降。

    当分析频率分裂现象时,电容与电感不可看做完全补偿,即jωL≠j/(ωC)。

    对图4使用KVL定律,得:

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式中,L为谐振电感量,C为谐振电容量,其他物理量同式(5)。图10所示为关系曲线图。

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    可采用如下方法解决频率分裂问题:①改变两线圈的中心轴的相对位置,从而减弱两线圈间的互感;②改变两线圈之间的旋转角度,可使系统退出频率分裂区域。

    (5)实验结果

    通过以上参数设计,搭建了实验装置,电源采用12 V的直流太阳能板及蓄电池,装置在12 cm处点亮了一个3 W小灯,效率约为86%。

6 结论

    设计的无线电能传输系统采用了线圈间的谐振式强耦合原理,首先通过高频逆变电路、发射接收线圈、整流电路的仿真设计,搭建了无线供电实验系统,在发射接收电路的设计上采用了发射端串联谐振,接收端并联谐振的方式提高传输效率,通过实验与理论计算,得出了以下结论:

    (1)增大系统谐振频率,可以提高传输效率,系统一般工作在1 MHz~50 MHz的射频段。

    (2)在线圈电感量不变的情况下,增加线圈直径、减少匝数比增加线圈匝数、减小直径能更有效提高传输效率。

    (3)增添中继线圈,能显著提高传输距离,并实现沿曲线路径的电能传输。

    (4)在线圈距离较近时,两者会处于强耦合状态,当前系统频率不在能使电感电容谐振,出现频率分裂现象,传输效率降低。

    (5)发射端采用串联谐振方式,当接收端采用串联谐振时,负载阻抗越小,传输效率越大;当接收端采用并联谐振时,负载阻抗越大,传输效率越小。

参考文献

[1] 李阳,杨庆新,陈海燕,等.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J].电工电能新技术,2012,31(3):31-39.

[2] 汪强,李宏.基于磁耦合谐振的无线电能传输系统的研究[J].电子技术应用,2011,37(12):72-75.

[3] 陈琛,黄学良,孙文慧,等.金属障碍物对磁耦合谐振无线电能传输系统的影响[J].电工技术学报,2014,29(9):22-26.

[4] 聂一雄,文波,刘艺.无接触功率传输技术[J].电力科学与技术学报,2010,25(3):13-24.

[5] 李阳,杨庆新,闫卓,等.磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性[J].电机与控制学报,2012,16(7):7-11.

[6] 黄学良,谭林林,陈中,等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报,2013,28(10):1-11.

[7] 孙立保.非辐射共振耦合无接触电能传输系统[D].杭州:浙江大学,2013.

[8] Andre Kurs,Aristeidis Karalis,Robert Moffatt,et al.Wireless power transfervia strongly coupled magnetic resonances[J].Science,2007,317(6):83-86.

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