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無線能量傳輸是利用某種介質(zhì)(電磁場(chǎng)、激光、超聲波等)替代導(dǎo)線進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。無線能量傳輸技術(shù)由于采用非接觸式傳輸能量,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直接接觸式能量傳輸方式的弊端,具有很多優(yōu)點(diǎn)。
近幾年,隨著新的研究方法的應(yīng)用及新理論的突破,無線輸電技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]介紹,2007 年7 月6 日,基于電磁諧振原理成功地“隔空”點(diǎn)亮了離電源2 m 多遠(yuǎn)處的一個(gè)60 W 燈泡。在該實(shí)驗(yàn)中,發(fā)射器發(fā)射的能量有40%~50%傳輸?shù)截?fù)載,無線傳輸裝置工作的有效距離最遠(yuǎn)達(dá)到2.74 m。實(shí)驗(yàn)的依據(jù)是2 個(gè)具有相同諧振頻率的物體能夠耦合,而與環(huán)境中的其他非諧振物體的相互作用很小,它的理論分析框架是“耦合模理論”。通過理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了中距離高效率的無線電能傳輸,這引起了全球的廣泛關(guān)注,再一次掀起了對(duì)于無線電能傳輸技術(shù)的研究熱潮。
目前,根據(jù)無線能量傳輸原理,可將其按傳輸方式分為三類[2-7]:電磁感應(yīng)式無線能量傳輸技術(shù)、輻射式無線能量傳輸技術(shù)和磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)。
而新型的磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)是利用2 個(gè)具有相同特定諧振頻率的電磁系統(tǒng)在相距一定的距離時(shí),由于電磁耦合產(chǎn)生諧振,進(jìn)行能量傳遞。一般來說,2 個(gè)有一定距離的電磁系統(tǒng),相互之間是弱耦合;但若2 個(gè)系統(tǒng)的固有諧振頻率相同,則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁諧振;如果一方不斷為系統(tǒng)提供能量,而另一方消耗能量,則實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸。由于采用共振原理[8-9],與共振系統(tǒng)以外的物體之間相互作用很小,所以磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)是世界上無線輸電領(lǐng)域的前沿課題。雖然目前國內(nèi)外無線電能傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)品已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段,但遠(yuǎn)距離、大功率以及高效率的產(chǎn)品尚處于基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究階段,若能研究出集安全、遠(yuǎn)距離、大功率及高效率于一體的傳輸裝置,則該技術(shù)應(yīng)用前景將會(huì)更加巨大。本文主要研究基于磁耦合諧振的無線能量傳輸系統(tǒng)基本原理并建立無線能量傳輸?shù)南到y(tǒng)模型,確定數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出系統(tǒng)效率表達(dá)式;通過MATLAB/Simulink 仿真討論系統(tǒng)傳輸效率的影響因素,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供一定的參考。
線圈的等效電路是建立系統(tǒng)等效電路的基礎(chǔ)。本節(jié)建立通入高頻電流后的線圈等效電路模型,并確定各參數(shù)的計(jì)算方法,從而建立系統(tǒng)等效電路。
設(shè)線圈匝數(shù)為N,線圈半徑為r,線徑為a,當(dāng)其中通過角頻率為ω 的交流電時(shí),可將其等效為如圖1 所示的電路[10]。
圖1 線圈等效電路模型
線圈的電參數(shù)可分為電感量L,線路損耗R以及分布電容C。其中以電感量為主要參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中要盡量減小損耗R;分布電容往往較小,只有在較高頻時(shí)才較為顯著。在采用集總參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí),也可將圖1 的電路簡(jiǎn)化為電感與電阻的串聯(lián)電路。
改變線圈形狀(如方形、螺旋形等)、匝數(shù)、線圈材質(zhì)以及線徑,即可改變等效電路中的各參數(shù),同時(shí)影響到交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布,其等效電感與等效電容根據(jù)電磁理論可分別通過式(1)、式(2)計(jì)算[11]:
式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;J(s)和J(s′)分別為場(chǎng)點(diǎn)和源點(diǎn)的空間電流密度;P(s)和P(s′)分別為場(chǎng)點(diǎn)和源點(diǎn)的電壓密度;ε0為真空介電常數(shù);s 為場(chǎng)點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離;s′為源點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離;I0為電流強(qiáng)度;q0為點(diǎn)電荷。但是利用這種方法往往難于計(jì)算,對(duì)于特定形狀線圈可通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化運(yùn)算。本文僅對(duì)多匝圓形線圈進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的計(jì)算。
對(duì)于N 匝線圈可通過式(3)計(jì)算電感:
對(duì)于高頻下的線圈而言,電路中電阻可分為兩部分,一部分是電流流經(jīng)線圈時(shí)發(fā)熱造成的電阻熱損耗;另一部分是交變電流產(chǎn)生交變電磁場(chǎng),類似天線一樣,線圈會(huì)向外輻射電磁能,造成能量損失,此損耗亦可通過阻抗形式表現(xiàn)計(jì)算,稱為輻射電阻。
考慮到集膚效應(yīng),損耗電阻計(jì)算表達(dá)式為[12]:
輻射電阻計(jì)算表達(dá)式為[11]:
式中:σ 為電導(dǎo)率;λ 為電磁波波長(zhǎng);l 為線圈長(zhǎng)度。取N=4,r=0.2 m,輻射電阻Rard=97(f/108)4,當(dāng)f=1 MHz 時(shí),Rard=0.97×10-6Ω;當(dāng)f=10 MHz時(shí),Rard=9.7×10-3Ω;當(dāng)f=50 MHz 時(shí),Rard=6 Ω;當(dāng)f=100 MHz 時(shí),Rard=97 Ω。可見,頻率越高,線圈的輻射性越大,所以在通信領(lǐng)域,一般頻率都很高。由于本系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中頻率范圍為1~10 MHz,輻射電阻非常小,因此相對(duì)線路損耗電阻往往可以忽略[13]。
在2 個(gè)線圈形成的共振系統(tǒng)中,通過磁場(chǎng)共振,可以實(shí)現(xiàn)線圈之間的能量傳遞。利用線圈的電感與分布電容或是外加電容可以形成諧振回路。發(fā)射線圈與接收線圈設(shè)計(jì)為相同結(jié)構(gòu),即使參數(shù)不完全相同,通過電容補(bǔ)償,接收線圈的自諧振頻率與發(fā)射線圈也保持一致。發(fā)射裝置與接收裝置中電感與電容均可為串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振電路。
圖2 串聯(lián)模式的磁場(chǎng)諧振耦合系統(tǒng)
串聯(lián)模式的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置系統(tǒng)模型如圖2 所示。其中,高頻電源產(chǎn)生與發(fā)射裝置所需的諧振頻率相同的正弦電流,并向發(fā)射裝置提供能量。高頻電流流經(jīng)發(fā)射線圈時(shí),在其周圍產(chǎn)生與電流相同頻率的交變磁場(chǎng),從而在接收線圈中感應(yīng)生成相同頻率的電流。由于接收線圈的自諧振頻率與產(chǎn)生的感應(yīng)電流頻率相同,從而接收線圈發(fā)生自諧振,同樣在接收線圈周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),此磁場(chǎng)與發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加,兩線圈之間通過磁場(chǎng)建立耦合關(guān)系,發(fā)射線圈與接收線圈形成共振系統(tǒng),能量由發(fā)射線圈源源不斷傳遞到接收線圈,為了保證磁場(chǎng)可以盡可能穿過接收線圈,兩線圈應(yīng)同軸。
由于本文中關(guān)注的是能量從發(fā)射線圈到接收線圈之間的轉(zhuǎn)換效率,不考慮電源部分的損耗,因此在下面的分析中,將電源假想為理想電源,無損耗,那么就可以將系統(tǒng)中的功率分為3 部分:發(fā)射端的損耗功率PT,接收端的損耗功率PR,負(fù)載消耗功率PL,由此可以得出系統(tǒng)傳輸效率表達(dá)式為:
式(6)適用于各種耦合系統(tǒng),由式(6)可知,提高耦合系數(shù)與損耗率的比例,有助于提高系統(tǒng)傳輸效率,但并不能得出影響效率的具體因素。下面從等效電路模型著手對(duì)其效率進(jìn)行深入分析。
首先建立系統(tǒng)的等效電路模型[14]。1.1 小節(jié)已建立單個(gè)線圈模型,為便于計(jì)算,在以下分析中,采用集總參數(shù),不考慮雜散參數(shù),因此線圈等效為一個(gè)電感與電阻的串聯(lián),通過外加電容形成諧振電路。本系統(tǒng)利用共振原理使發(fā)射線圈、接收線圈達(dá)到自諧振。其等效電路模型如圖3 所示。
圖3 等效電路模型
圖3 中,US表示高頻電源;Rt,Rr分別為發(fā)射線圈、接收線圈等效電阻;Lt,Lr為分別為發(fā)射線圈、接收線圈等效電感;Ct,Cr分別為發(fā)射線圈、接收線圈等效外加電容;RL為負(fù)載電阻;d為兩線圈之間的距離。
設(shè)發(fā)射線圈、接收線圈匝數(shù)分別為nt和nr,半徑分別為rt和rr,兩線圈各參數(shù)可一致,也可不同。
發(fā)射線圈與接收線圈阻抗分別為:
兩線圈之間會(huì)產(chǎn)生互感,軸心線同軸時(shí)其值可近似計(jì)算為[15]:
當(dāng)線圈參數(shù)一致時(shí),rt=rr=r,D=。
由此可計(jì)算兩線圈中電流:
進(jìn)一步可得到效率計(jì)算表達(dá)式:
當(dāng)兩線圈發(fā)生共振時(shí),因?yàn)楦鱾€(gè)線圈自諧振,可得:
下面就從多個(gè)方面分析影響效率的因素,為便于分析,以下的運(yùn)算中,認(rèn)為發(fā)射線圈、接收線圈各參數(shù)一致,即Rt=Rr=R0。假設(shè)線圈參數(shù)、電流頻率與傳輸距離保持不變,則存在唯一變量RL,很容易求得最大效率條件:
此時(shí)最大效率表達(dá)式為:
最大效率條件也稱為阻抗匹配,最優(yōu)阻抗值取決于線圈阻抗損耗以及互感、頻率的大小,可見,在R0較小而ωM 較大即強(qiáng)耦合時(shí),其最大效率可接近100%。通過對(duì)線圈選用合適的材料、尺寸,線路損耗R0往往相對(duì)負(fù)載較小,因此效率表達(dá)式可進(jìn)一步近似為:
將互感表達(dá)式帶入式(16)可得:
由式(16)、式(17)知,除負(fù)載之外,影響系統(tǒng)效率的因素主要有系統(tǒng)頻率、線圈匝數(shù)、線圈半徑、線圈線徑(線圈損耗電阻)以及傳輸距離[16-17]。下面分析每個(gè)因素的影響效果[18-19]。
(1)由式(16)可知,當(dāng)負(fù)載相對(duì)線路損耗較大時(shí),負(fù)載電阻越大,系統(tǒng)的傳輸效率越低。
(2)隨著傳輸距離d 的增大,耦合系數(shù)減小,傳輸效率也降低。D6=r6(1+d2/r2)3,固定線圈半徑不變,改變傳輸距離。當(dāng)d/r=1 時(shí),D=8r6;當(dāng)d/r=2時(shí),D=125r6;當(dāng)d/r=3 時(shí),D=1 000r6。可見,隨著傳輸距離的增加,尤其在傳輸距離為半徑的2 倍之后,距離的變化會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生較大的影響。
(3)當(dāng)頻率以及距離一定時(shí),對(duì)效率影響較大的參數(shù)就是線圈的線徑以及匝數(shù)。線圈的線徑主要影響線圈損耗電阻,受集膚效應(yīng)的影響,線圈中電流主要分布在線圈表層,線徑越大,線圈截面積越大,損耗電阻越小。由式(17)可知,K值的大小與匝數(shù)的4 次方、半徑的8 次方成正比,這2 個(gè)參數(shù)的變化會(huì)明顯改變K 值,繼而影響效率??梢?,增加線徑和匝數(shù)是最為有效的提高效率的辦法。
(4)由式(17)可知,提高系統(tǒng)頻率也有利于提高傳輸效率。對(duì)于串聯(lián)線圈模型,其固有諧振頻率值取決于線圈等效電感以及外加串聯(lián)電容,其關(guān)系為f0=1/2π,所以對(duì)于不同的線圈,可以利用不同的外加補(bǔ)償電容來實(shí)現(xiàn)頻率的一致。
(5)從效率表達(dá)式中不能明顯地看出線圈位置對(duì)于系統(tǒng)傳輸效率的影響?;诖篷詈现C振的無線能量傳輸依靠的是磁場(chǎng)這一介質(zhì),這個(gè)磁場(chǎng)由發(fā)射線圈與接收線圈共同產(chǎn)生的。由于磁場(chǎng)不是均勻分布在空間中,2 個(gè)線圈的位置必然影響到系統(tǒng)的傳輸效果。對(duì)于圓形線圈,磁場(chǎng)主要分布在線圈中心軸線上,因此,發(fā)射線圈與接收線圈平行同軸更有利于能量的傳輸。
由式(16)可知,負(fù)載電阻相對(duì)線路損耗較大時(shí),負(fù)載電阻越大,系統(tǒng)的傳輸效率越低。現(xiàn)利用MATLAB/Simulink 對(duì)負(fù)載變化時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真,分析其效率,驗(yàn)證理論分析的正確性。
取線圈半徑r=20 cm,線徑a=1.4 mm,線圈匝數(shù)N=4,外加電容C=1.0 nF。
根據(jù)式(3)—式(5)和式(9),計(jì)算得線圈電感值:
線圈損耗電阻:
輻射電阻:
接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感:
由此得到不同傳輸距離d 對(duì)應(yīng)的M 值,如表1 所示。
表1 不同傳輸距離d 對(duì)應(yīng)的互感M 值
由ω0=得電源頻率f=0.945 9 MHz,仿真電源電壓峰值取100 V。
當(dāng)傳輸距離d=30 cm,負(fù)載RL變化時(shí),系統(tǒng)傳輸效率η 的理論值和仿真值如表2 所示,轉(zhuǎn)換成效率曲線如圖4 所示。
表2 負(fù)載變化時(shí)效率的理論值與仿真值
圖4 負(fù)載變化時(shí)效率的理論值和仿真值曲線
由圖4 可知,負(fù)載變化時(shí),傳輸效率的理論值和仿真值具有很好的一致性,尤其是在負(fù)載電阻相對(duì)較大時(shí),仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。另外,從圖4 中還可以明顯看出負(fù)載對(duì)效率的影響關(guān)系,即負(fù)載電阻越大,系統(tǒng)效率越低。
由式(16)知,隨著傳輸距離的增大,由于耦合系數(shù)減小,系統(tǒng)的傳輸效率也降低。尤其在傳輸距離為半徑的2 倍之后,距離的變化會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生較大的影響。現(xiàn)對(duì)傳輸距離變化時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真,分析其傳輸效率,驗(yàn)證理論分析的正確性。
假設(shè)其他因素不變,改變系統(tǒng)傳輸距離,仿真時(shí)即是改變線圈間的互感M。負(fù)載RL取10 Ω,傳輸距離d 變化時(shí),系統(tǒng)傳輸效率η 的理論值和仿真值結(jié)果如表3 所示,轉(zhuǎn)換成效率曲線如圖5所示。
表3 傳輸距離變化時(shí)效率的理論值與仿真值
圖5 傳輸距離變化時(shí)效率的理論值與仿真值曲線
由圖5 可知,傳輸距離變化時(shí)系統(tǒng)傳輸效率的理論值和仿真值具有很好的一致性,尤其是在傳輸距離較大時(shí),仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。另外,由圖5 還可以明顯地看出傳輸距離對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響關(guān)系,即傳輸距離越大,系統(tǒng)的傳輸效率越低,特別是在傳輸距離大于2倍線圈半徑時(shí),系統(tǒng)傳輸效率下降尤其明顯。
系統(tǒng)頻率對(duì)效率的影響分為系統(tǒng)電源頻率與系統(tǒng)自然諧振頻率相同和不同2 種情況。
2.3.1 電源頻率與系統(tǒng)自然諧振頻率相同
取線圈半徑r=20 cm,線徑a=1.4 mm,線圈匝數(shù)N=4。通過改變外加電容的值改變系統(tǒng)自然共振頻率。傳輸距離取40 cm,負(fù)載RL取30 Ω,電源電壓峰值為100 V,電源頻率同系統(tǒng)自然諧振頻率。不同外加電容時(shí)諧振頻率值見表4。
表4 不同外加電容時(shí)諧振頻率
諧振頻率變化時(shí)效率的理論值與仿真值如表5 所示,轉(zhuǎn)換成效率曲線如圖6 所示。
表5 諧振頻率變化時(shí)效率的理論值和仿真值
由圖6 可知,傳輸距離變化時(shí)系統(tǒng)傳輸效率的理論值和仿真值具有非常好的一致性,仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。另外,從圖6 中還可以明顯地看出系統(tǒng)頻率對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響關(guān)系,即系統(tǒng)頻率越大,系統(tǒng)的傳輸效率越高。
圖6 諧振頻率變化時(shí)效率的理論值和仿真值曲線
2.3.2 電源頻率與系統(tǒng)自然諧振頻率不同
取線圈半徑r=20 cm,線徑a=1.4 mm,線圈匝數(shù)N=4。外加電容的值取1 nF,系統(tǒng)的自然諧振頻率固定為0.945 9 MHz。傳輸距離取40 cm,負(fù)載RL取30 Ω,電源電壓峰值取100 V。
仿真時(shí)改變系統(tǒng)電源頻率,經(jīng)過仿真與計(jì)算,得到不同電源頻率時(shí)傳輸效率的仿真值如表6 所示,轉(zhuǎn)換成效率曲線如圖7 所示。
表6 系統(tǒng)電源頻率變化時(shí)效率的仿真值
圖7 電源頻率變化時(shí)系統(tǒng)傳輸效率仿真值曲線
由圖7 可知,電源頻率變化時(shí),傳輸效率變化十分明顯。圖7 中效率極大值點(diǎn)是電源頻率與系統(tǒng)自然諧振頻率相等時(shí)取得。當(dāng)電源頻率與系統(tǒng)自然諧振頻率不等時(shí),兩者之差有些微小變化,傳輸效率就急劇下降。所以,系統(tǒng)運(yùn)行過程中保持電源頻率與諧振頻率相等是十分必要的。
線圈尺寸參數(shù)包括線圈形狀、線圈半徑、線圈匝數(shù)、線圈材料、線徑以及線圈實(shí)現(xiàn)方式(單股、多股并聯(lián))等。線圈形狀影響了磁場(chǎng)的分布情況及電感,線圈材料以及線圈實(shí)現(xiàn)方式會(huì)影響線圈等效阻抗(線圈的電路品質(zhì)因數(shù))。前文1.4 小節(jié)的理論分析均是基于單股多匝圓形線圈模型,所以仿真中只討論線徑、線圈半徑以及線圈匝數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響。
2.4.1 線圈匝數(shù)、半徑及線徑對(duì)線圈參數(shù)的影響
保持頻率為0.945 9 MHz 不變,線圈半徑r=20 cm,線徑a=1.4 mm,改變線圈匝數(shù)N。改變線圈匝數(shù)會(huì)改變線圈電感,因此要進(jìn)行電容匹配。傳輸距離取40 cm,線圈匝數(shù)變化時(shí)各相關(guān)參數(shù)變化情況如表7 所示。
表7 線圈匝數(shù)變化時(shí)各相關(guān)參數(shù)值
保持頻率為0.945 9 MHz 不變,線圈線徑a=1.4 mm,線圈匝數(shù)N=4,改變線圈半徑r。改變線圈半徑會(huì)改變線圈電感,因此要進(jìn)行電容匹配。傳輸距離取40 cm,線圈半徑變化時(shí)各相關(guān)參數(shù)變化情況如表8 所示。
表8 線圈半徑變化時(shí)各相關(guān)參數(shù)值
當(dāng)保持頻率為0.945 9 MHz 不變時(shí),取線圈半徑r=20 cm,線圈匝數(shù)N=4,改變線圈線徑a。改變線圈線徑會(huì)改變線圈損耗電阻,因此要進(jìn)行電容匹配。傳輸距離取40 cm,線圈匝數(shù)變化時(shí)各相關(guān)參數(shù)變化情況如表9 所示。
表9 線圈匝數(shù)變化時(shí)各相關(guān)參數(shù)值
2.4.2 線圈參數(shù)對(duì)效率的影響
負(fù)載RL取30 Ω,電源電壓峰值為100 V。通過仿真與計(jì)算,線圈匝數(shù)N 變化時(shí)效率的理論值與仿真值如表10 所示,線圈半徑r 變化時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率的理論值與仿真值如表11 所示,線圈線徑a 變化時(shí)效率的理論值與仿真值如表12 所示。
表10 線圈匝數(shù)變化時(shí)效率的理論值與仿真值
表11 線圈半徑變化時(shí)效率的理論值與仿真值
由表10—表12 可知,線圈匝數(shù)變化時(shí),系統(tǒng)傳輸效率的理論值和仿真值具有非常好的一致性,仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。另外,從表10還可以明顯地看出線圈匝數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響關(guān)系,即線圈匝數(shù)越多,線圈半徑越大,線圈線徑越大,系統(tǒng)的傳輸效率越高。因此,改變線圈參數(shù)可以明顯提高傳輸效率。
本文詳細(xì)分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的機(jī)理,對(duì)其模型進(jìn)行了分析,并建立系統(tǒng)等效模型,得到系統(tǒng)傳輸效率公式,從而得出了影響系統(tǒng)傳輸效率的因素,包括:負(fù)載阻抗、系統(tǒng)頻率、線圈線徑、線圈半徑、線圈匝數(shù)、線圈位置和傳輸距離。根據(jù)理論分析得到影響效率的各個(gè)因素,通過MATLAB/Simulink 逐一仿真驗(yàn)證了這些因素對(duì)效率的影響效果,為后續(xù)研制遠(yuǎn)距離、大功率及高效率的無線電能傳輸系統(tǒng)提供理論依據(jù)和發(fā)展方向。