基于磁耦合谐振的中距离无线电能传输技术

基于磁耦合谐振的中距离无线电能传输技术

19世纪末，莎拉提出了能传输广播的概念，并于1902年申请了相关技术的专利。此后多年,国外一些科学家虽对此进行着研究,并在近距离感应电能传输方面获得了一些成果,但在中距离方面一直未能取得突破性进展。直到MIT的MarinSoljacic教授及其研究小组于2006年11月在美国AIP论坛上提出基于磁耦合谐振的中距离无线电能传输技术,并于2007年6月通过实验成功地在距离2m多外将一个60W的灯泡点亮。根据无线电能传输技术原理,可将无线电能传输方式分为电磁波式、电磁感应式、磁耦合谐振式等三种传输技术方式。电磁波式无线电能传输技术的实质就是用微波束来代替输电导线,通过自由空间实现电能的无线传输。该技术特点:传输距离较长、视距传输、传输方向受限,在空气中损耗大,传输效率较低,对其周围环境影响较大。电磁感应式无线电能传输技术可以看作是一个松耦合的变压器,利用电磁感应原理,初、次级线圈间通过电磁感应产生感应电流,将能量从发射端转移到接收端。其特点是可达到较大传输功率,但由于线圈间的松耦合,磁场能量会随距离的增加而迅速衰减,使得耦合系数较小,传输距离短,被限制在厘米、毫米等级。磁耦合谐振式无线电能传输技术结合了上述两种技术优点的同时,又克服了其不足。与感应式技术相比,其能量传输距离更远——可中距离传输(几倍于谐振线圈直径);与电磁波式技术相比,其传输效率更高。本文采用磁耦合谐振式无线电能传输技术,通过调节驱动信号占空比Don、无线电能传输距离d以及接收负载阻值RL等相关参数的一系列理论分析,并通过实验验证,得到了与无线电能传输功率、效率之间的关系。1磁极磁共振无线能传输技术原理1.1磁耦合振幅式无线电能传输技术磁耦合是载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象。在近场区,电磁场能量在辐射源内部及辐射源周围空间之间周期性地来回流动,不向外辐射,即非辐射性磁耦合。谐振是指当在某一个确定的频率下,两个相同谐振频率的谐振物体间产生更强耦合,从而更有效地进行能量转移。磁耦合谐振式无线电能传输技术,就是利用磁耦合和谐振技术来实现电能的无线传输。其理论基础是耦合模式理论CMT(Coupled-ModeTheory),主要思想是系统中具有相同谐振频率的物体之间通过强耦合从而进行高效率的能量交换,而偏离谐振频率的物体之间相互作用则较弱。如图1所示,发射端与接收端LC谐振线圈回路分别由两个相匹配的LC谐振线圈回路组成。由Ls和Cs构成的发射端谐振线圈回路,在高频脉冲信号驱动下,不断向周围空间发出电磁波,在近场区形成非辐射交变磁场,经过强磁耦合谐振,由Lr和Cr构成的接收端谐振线圈回路进行能量接收,从而实现电能的无线传输。1.2发射端lc谐振线圈回路模型基于磁耦合谐振的无线电能传输系统主要由发射端与接收端LC谐振线圈回路、高频驱动两大模块组成。在谐振系统中,通过调节高频驱动信号相关参数(电压幅度、频率f和占空比Don等)来控制开关管的开关及通断,从而使得电源Voc在高频驱动信号的控制下,适时向发射端LC谐振线圈回路提供能量。发射端和接收端LC谐振线圈以交变磁场为媒介,经过强磁耦合谐振,能量在接收端电感线圈中不断地聚集,电能被传递到接收端的负载。其对应的电路模型如图2(a)所示,MOS管导通时,电源向发射端LC谐振线圈回路注入高频脉冲电流;MOS管关断时,发射端LC谐振线圈回路A点悬空,流过Rs的电流为零,此时发射端LC谐振线圈回路为一个LC串联回路,其等效电路如图2(b)中发射端LC谐振线圈回路所示。为便于分析和计算,MOS管关断时,将图2(a)转换成如图2(b)所示的串联耦合电路模型,其中Rs、Rr分别为发射与接收线圈回路高频损耗电阻,Ls、Lr分别为其自感,Cs、Cr为分别为发射与接收LC谐振线圈回路谐振电容,RL为负载电阻,M为发射与接收两端线圈之间互感,d为两线圈间距离。设系统谐振角频率为ω,Zs和Zr分别为发射、接收线圈回路自阻抗,则由图2(b)可列出KVL回路方程:可得发射、接收谐振线圈回路的等效回路电流:反映阻抗中的反映电阻在各回路中会消耗能量,反映电抗则影响谐振线圈本身自谐振频率。两谐振线圈距离越近,则互感M越大,反映阻抗越大,对谐振线圈影响越明显。当由发射与接收端线圈回路组成系统处于全谐振,即两线圈回路均处于谐振状态时,其各自反映电抗都等于0,此时两回路反映阻抗为:两谐振耦合线圈回路谐振时为纯电阻回路,接收与发射线圈回路等效阻抗Zss和Zrr为:2传输效率和传输功率分析2.1振幅线圈回路由图2(b)所示,发射线圈回路输入功率Ps及接收线圈回路负载电阻RL上的输出负载功率Po分别为:,故传输效率为:由参考文献可知,发射与接收线圈有四种不同谐振耦合状态,分别是:(1)发射与接收线圈均不谐振;(2)发射线圈谐振、接收线圈不谐振;(3)发射线圈不谐振、接收线圈谐振;(4)发射与接收线圈均谐振。当发射与接收线圈同时谐振,即整个耦合系统发生全谐振时,谐振线圈回路为纯电阻回路且阻抗值最小,流过谐振线圈的电流最大,与其他三种状态时相比,此时传输功率、效率为最佳状态。谐振线圈回路高频损耗电阻主要包括欧姆损耗电阻(即:线圈内阻)R。和辐射损耗电阻Rf。其中,真空磁导率u0=4π×10-7N/A2,空气介电常数ε08.85×10-12F/m,σ为电导率,a为导线半径,l导线长度,r为线圈半径,n为线圈匝数,h线圈宽度,c0为光速。为保证系统达到全谐振状态,发射与接收端线圈参数设计一致,两线圈间的互感为:在中距离磁耦合谐振无线电能传输系统中,由于Rf<<,线圈损耗中的辐射损耗可忽略不计,此时线圈损耗RsRr=Rf+R0≈R0,式(11)可改为:由式(10)、式(12)、式(13)可得系统传输效率η与传输距离d、线圈相关参数(a,r,n,h,l)及负载电阻RL之间的关系。发射与接收谐振线圈回路中谐振线圈为圆形密绕空心线圈,其参数为:导线半径a=1.0mm,线圈半径r=3.5cm,线圈的匝数n=15,线圈宽度h=10mm,由HIOKI3532-50LCR分析仪测得线圈电感值为L=27.1μH,设定C=110nF,则LC并联线圈回路谐振频率f=90kHz,直流电源VCC=12V,固定脉冲驱动信号频率f=90kHz。系统传输效率η与传输距离d、负载电阻RL之间的关系曲线如图3所示。当固定电感线圈相关参数和传输负载RL时,得到如图3(a)所示的关系曲线:随着传输距离的逐渐增大,传输效率会相应逐渐降低。当固定电感线圈相关参数和驱动脉冲频率f时,得到如图3(b)所示的关系曲线:随着传输距离的逐渐增大,传输效率会相应逐渐降低;随着负载的变化,效率会出现一个最大值。2.2输距离d、负载电阻rl之间的关系由接收端负载传输功率计算公式,可得当发射与接收线圈全谐振时,有最大传输功率计算公式:由式(14)可得:传输功率与传输距离d、负载电阻RL之间的关系曲线如图4所示。当固定电感线圈相关参数和驱动脉冲频率f及负载RL时,得到如图4(a)所示的关系曲线:随着传输距离的逐渐增大,传输功率会相应逐渐降低。当固定电感线圈相关参数和驱动脉冲频率f时,得到如图4(b)所示的关系曲线:随着传输距离的逐渐增大,传输功率会相应逐渐降低;随着负载的变化,功率会与之对应正相关变化。3系统的模拟系统验证本文基于上述理论分析及参数设定,实现了一个谐振频率为90kHz的磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过实验来验证上述对磁耦合谐振无线电能传输系统传输功率和传输效率分析的正确性。3.1传输效率曲线验证传输距离与传输功率及效率的关系时,固定传输距离d=3cm,负载阻值RL=100Ω时,在2%～50%的范围内调节脉冲驱动信号占空比Don,数据经曲线拟合,得到如图5所示的驱动占空比Don传输功率及效率η的关系波形。其中左边纵轴对应传输功率曲线坐标,右边纵轴对应传输效率曲线坐标,图6与此相同。由图5看出,(1)接收功率均随着脉冲驱动信号占空比Don加大而逐步提高,故可通过调节占空比Dm来控制对系统能量的供给;(2)传输效率η随着驱动信号占空比Don大而先增后减,在Don化中存在着一极大值点。脉冲驱动信号占空比Don加,意味着电源向发射谐振线圈回路所提供能量的增加,近区场磁场强度增强,接收谐振线圈中感应交变电流变大,与之并联电容的电压变大,最终供给负载的功率变大;当Don加到某一值后,达到接收端负载功率最大值,此时即是传输效率η极大值点所对应的占空比DonM;当Don于DonM时,负载端测得功率虽仍然增加,但此时发射端波形畸变,处于失谐状态,功率损耗在接收端电感线圈内阻及寄生电阻上,电感线圈开始发热,传输效率η开始下降。综上所述,驱动占空比Don要结合传输功率与传输效率两个方面因素综合考虑,从而得到传输功率和传输效率的最优化。3.2驱动信号占空比d的影响验证传输距离与传输功率及效率的关系时,通过固定脉冲驱动占空比Don=15%,在负载阻值RL=100Ω时,在1cm～10cm范围内调节传输距离d,测得数据经曲线拟合,得到d与传输功率及效率η关系波形如图6所示。由图5可以看出,(1)传输功率随着传输距离d的增大而逐渐降低;(2)在传输距离d较近时,传输效率η随着d的增大而逐渐增大,当η增大到某一个极大值点后,又出现了下降的趋势。驱动信号占空比Don定,则电源向发射谐振线圈回路提供的能量不变,近区场磁场强度不变。传输距离d的逐渐变大,穿过接收线圈的交变磁场的磁力线数量减少,导致接收线圈中交变电流变小,与之并联电容电压降低,供给负载的功率降低;当d增加到某一值后,达到接收端负载功率最大值,此时即是传输效率η的极大值点所对应的传输距离dM;当d大于dM时,负载端测得功率虽仍然增加,但此时发射端线圈波形畸变,处于失谐状态,有部分功率损耗在接收