張?zhí)煊?，張瑞成，耿曉紅，呂　萌，李志權(quán)

（華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

接收端并聯(lián)諧振的耦合式無線供電系統(tǒng)*

張?zhí)煊瑁瑥埲鸪?，耿曉紅，呂萌，李志權(quán)

（華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

從而大大提高傳輸效率。

為了解決傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式無線輸電的低效率問題，設(shè)計(jì)了諧振耦合式無線輸電系統(tǒng)，并通過理論計(jì)算、電路設(shè)計(jì)與仿真，分析了諧振耦合式的無線電能傳輸?shù)男视绊懸蛩匾约熬€圈強(qiáng)耦合下所產(chǎn)生的頻率分裂現(xiàn)象。在理論分析的基礎(chǔ)上，制作了無線電能傳輸裝置，包括直流電源、高頻逆變電路、發(fā)射接收線圈、整流電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)接收端采用串聯(lián)諧振時(shí)，負(fù)載越小，效率越高；當(dāng)接收端采用并聯(lián)諧振時(shí)，負(fù)載越大，效率越高。

無線電能傳輸；高頻逆變電路；諧振耦合式；并聯(lián)諧振

0　引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，電氣領(lǐng)域發(fā)展突飛猛進(jìn)，無線輸電也成為這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。早在1889年，美國(guó)科學(xué)家特斯拉便提出了無線電能傳輸?shù)脑O(shè)想[1-3]?，F(xiàn)代無線輸電主要有3種形式：電磁感應(yīng)式無線電能傳輸；諧振耦合式無線電能傳輸；激光、微波為載體的無線電能傳輸[4-5]。2007年，美國(guó)麻省理工大學(xué) MIT研究組成功利用諧振耦合式無線電能傳輸原理，將一個(gè)60 W的燈泡在相隔2 m的距離點(diǎn)亮，且傳輸效率高達(dá)40%～50%，為近年來無線電能傳輸?shù)难芯看蛳铝嘶A(chǔ)[6-8]。

1　無線輸電系統(tǒng)模型及原理

諧振耦合無線輸電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)分為發(fā)射電路與接收電路，直流電源與高頻逆變電路共同組成了高頻正弦交流電源，再經(jīng)由諧振電容與發(fā)射線圈產(chǎn)生諧振，使得發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生諧振強(qiáng)耦合，

圖1　無線輸電系統(tǒng)模型

2　高頻逆變電路

為了提高無線傳輸效率，通常系統(tǒng)的諧振頻率采用1 MHz～50 MHz的射頻段，為此在逆變電路的設(shè)計(jì)上采用了高頻高效率的E類逆變電路，其基本原理如圖2所示。

圖中電源支路的電感L1為扼流電感，使其流過電流恒定，其值足夠大即可，并聯(lián)電容C1主要輔助電路完成諧振，并降低開關(guān)管損耗，RLC支路中電感 Lr和電容 Cr構(gòu)成諧振回路，電阻R為負(fù)載，開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)采用1 MHz脈沖波。本文中負(fù)載R為無線發(fā)射線圈及其諧振電容，通過逆變后發(fā)射線圈兩端電壓波形如圖3。

圖2　E類逆變?cè)韴D

圖3　發(fā)射線圈電壓波形

3　無線收發(fā)電路諧振方式設(shè)計(jì)

3.1諧振方式研究

接收線圈采用串聯(lián)諧振時(shí)，與發(fā)射線圈耦合等效電路如圖4。

圖4　線圈諧振耦合原理圖(接收端串聯(lián)諧振)

串聯(lián)諧振在理想情況下，電感與電容上電流為無窮大，為在發(fā)射線圈上產(chǎn)生較大電流以獲得較強(qiáng)磁場(chǎng)，故在發(fā)射端采用串聯(lián)諧振方式。

根據(jù)KVL定律，可得：

聯(lián)立式(1)、式(2)，得到發(fā)射端、接收端功率表達(dá)式：

傳輸效率等于接收端功率與發(fā)射端功率之比，即：

式中，Us為電源電壓，R1為發(fā)射線圈寄生電阻，I1為發(fā)射回路電流(即發(fā)射線圈勵(lì)磁電流)，RL為負(fù)載電阻，I2為接收回路電流，ω為系統(tǒng)角頻率，M為兩線圈間互感系數(shù)。通過公式可以看出，負(fù)載阻抗越大，傳輸效率越低。

兩線圈同軸時(shí)，互感系數(shù)計(jì)算如下：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率 4.7×10-7H/m，n1為發(fā)射線圈匝數(shù)，n2為接收線圈匝數(shù)，r1為發(fā)射線圈半徑，r2為接收線圈半徑，d為兩線圈間距離。

接收線圈采用并聯(lián)諧振時(shí)，與發(fā)射線圈耦合等效電路如圖5。

圖5　線圈諧振耦合原理圖(接收端并聯(lián)諧振)

根據(jù)KVL定律，得到：

由于 R2＜＜ωL，故可忽略，聯(lián)立式(7)、式(8)，得到發(fā)射端、接收端功率表達(dá)式：

對(duì)發(fā)射端使用KVL定律得US=R1I1-jωMI2，解得：

傳輸效率等于接收端功率與發(fā)射端功率之比，即：

式中參數(shù)意義同上，通過公式可以看出，負(fù)載阻抗越大，傳輸效率越高。

3.2諧振線圈參數(shù)設(shè)計(jì)

諧振線圈的設(shè)計(jì)要考慮三個(gè)因素：與諧振電容匹配的電感量；匝數(shù)與線圈直徑對(duì)傳輸效率的影響；體積與便攜性。

線圈匝數(shù)和線圈直徑對(duì)互感系數(shù)影響參考式(6)，電感與電容諧振的計(jì)算公式如下：

4　整流電路設(shè)計(jì)

在此整流電路采用典型的不可控全橋整流電路，由于系統(tǒng)頻率為1 MHz高頻，所以直接通過電容濾波后即可得到穩(wěn)定的直流電能。整流電路原理圖如圖6。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)諧振頻率

利用式(5)、式(6)可得圖 7所示的關(guān)系曲線，圖 7給出了當(dāng)逆變電源功率一定時(shí)頻率與線圈距離對(duì)效率的影響，當(dāng)線圈間距離固定，提高LC諧振頻率可極大地提高無線傳輸效率。

圖6　整流電路原理圖

圖7　諧振頻率與效率的關(guān)系

(2)中繼線圈

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，兩線圈相距為18 cm時(shí)，接收端接收到的功率不足以點(diǎn)亮小燈，而當(dāng)在兩線圈間加入諧振線圈后，小燈點(diǎn)亮，效率約為65%。

由此可知，中繼線圈可以提高傳輸距離，改變傳輸方向，可提高傳輸效率。加入中繼線圈的電路模型如圖8所示。

圖8　帶中繼線圈的耦合模型

(3)線圈直徑

利用式(5)和式(6)可得圖 9所示的關(guān)系曲線，分別繪制了線圈直徑為7 cm、匝數(shù)為25，線圈直徑為 16 cm、匝數(shù)為5時(shí)效率與距離之間的關(guān)系。

由圖9可知，當(dāng)線圈電感量不變，線圈直徑增大、匝數(shù)減少時(shí)，傳輸效率有明顯增加。所以應(yīng)該在勵(lì)磁電流足夠提供所需磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，盡量提高線圈的直徑。

(4)強(qiáng)耦合造成的頻率分裂

當(dāng)兩線圈距離很近時(shí)，使得互感系數(shù)M增大，這種變化可等效看做改變了電感量，從而破壞了電感與電容之間的諧振狀態(tài)，其諧振頻率也因此改變。此時(shí)，因?yàn)榘l(fā)射線圈處于失諧狀態(tài)，使得傳輸效率下降。

當(dāng)分析頻率分裂現(xiàn)象時(shí)，電容與電感不可看做完全補(bǔ)償，即jωL≠j/(ωC)。

圖9　線圈直徑與效率的關(guān)系

對(duì)圖4使用KVL定律，得：

聯(lián)立式(13)、式(14)，得到接收端功率表達(dá)式：

式中，L為諧振電感量，C為諧振電容量，其他物理量同式(5)。圖10所示為關(guān)系曲線圖。

圖10　強(qiáng)耦合下的頻率分裂現(xiàn)象

可采用如下方法解決頻率分裂問題：①改變兩線圈的中心軸的相對(duì)位置，從而減弱兩線圈間的互感；②改變兩線圈之間的旋轉(zhuǎn)角度，可使系統(tǒng)退出頻率分裂區(qū)域。

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上參數(shù)設(shè)計(jì)，搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，電源采用12 V的直流太陽能板及蓄電池，裝置在 12 cm處點(diǎn)亮了一個(gè)3 W小燈，效率約為86%。

6　結(jié)論

設(shè)計(jì)的無線電能傳輸系統(tǒng)采用了線圈間的諧振式強(qiáng)耦合原理，首先通過高頻逆變電路、發(fā)射接收線圈、整流電路的仿真設(shè)計(jì)，搭建了無線供電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在發(fā)射接收電路的設(shè)計(jì)上采用了發(fā)射端串聯(lián)諧振，接收端并聯(lián)諧振的方式提高傳輸效率，通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算，得出了以下結(jié)論：

（1）增大系統(tǒng)諧振頻率，可以提高傳輸效率，系統(tǒng)一般工作在1 MHz～50 MHz的射頻段。

（2）在線圈電感量不變的情況下，增加線圈直徑、減少匝數(shù)比增加線圈匝數(shù)、減小直徑能更有效提高傳輸效率。

（3）增添中繼線圈，能顯著提高傳輸距離，并實(shí)現(xiàn)沿曲線路徑的電能傳輸。

（4）在線圈距離較近時(shí)，兩者會(huì)處于強(qiáng)耦合狀態(tài)，當(dāng)前系統(tǒng)頻率不在能使電感電容諧振，出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，傳輸效率降低。

（5）發(fā)射端采用串聯(lián)諧振方式，當(dāng)接收端采用串聯(lián)諧振時(shí)，負(fù)載阻抗越小，傳輸效率越大；當(dāng)接收端采用并聯(lián)諧振時(shí)，負(fù)載阻抗越大，傳輸效率越小。

[1]李陽，楊慶新，陳海燕，等.無線電能傳輸系統(tǒng)中影響傳輸功率和效率的因素分析[J].電工電能新技術(shù)，2012，31(3)：31-39.

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The coupled resonances wireless power transfer system based on parallel resonance receiver

Zhang Tianyu，Zhang Ruicheng，Geng Xiaohong，Lv Meng，Li Zhiquan
(College of Electrical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China)

In order to solve the low efficiency of conventional inductively coupled power transfer,the coupled resonances wireless power transfer system is designed.The influence factor of efficiency and the frequency division of the highly couple coil are analysed by theoretical calculation,circuit design and simulation.The device of wireless power transfer is design,and it includes direct-current source,high frequency inverter circuit and coupled coil and rectifier circuit.The result indicates:when the receiving circuit adopts the series resonance,the efficiency is higher with a lower resistance of load.When the receiving circuit adopts the parallel resonance,the efficiency is higher with a higher resistance of load.

wireless power transfer；high frequency inverter circuit；coupled resonances；parallel resonance

TM74

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.032

河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410081053）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2014209192)；河北省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(ZD20131011)；河北聯(lián)合大學(xué)杰出青年基金資助項(xiàng)目(JP201301)

2015-08-07)(

2015-08-22)

張瑞成（1975-），男，博士，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析。

張?zhí)煊瑁?994-），男，學(xué)士，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析。

中文引用格式：張?zhí)煊?，張瑞成，耿曉紅，等.接收端并聯(lián)諧振的耦合式無線供電系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：123-125，132.

英文引用格式：Zhang Tianyu，Zhang Ruicheng，Geng Xiaohong，et al.The coupled resonances wireless power transfer system based on parallel resonance receiver[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：123-125，132.