黃小凡 李康文 戴睿鵬 何興宏
摘要:針對現(xiàn)存長距離磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸普遍存在效率低的問題,對系統(tǒng)的諧振拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)、線圈耦合系數(shù)、線圈內(nèi)阻等因素進(jìn)行了綜合分析。采用阻抗匹配和屏蔽方法,通過對串聯(lián)式諧振進(jìn)行建模分析以及傳輸效率的計算,得到最大效率點(diǎn)的匹配阻抗值,并采用鋁板包圍線圈的方法減少漏磁通,進(jìn)而減小傳輸損耗。通過理論分析、模擬仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,當(dāng)傳輸距離為1 m且阻抗匹配負(fù)載為53 Ω時,無線電能傳輸效率最大,可達(dá)78.9%。
關(guān)鍵詞:無線電能傳輸;長距離;阻抗匹配;最大效率點(diǎn)
0 前言
傳統(tǒng)的輸電方式是利用輸電線路傳輸?shù)闹苯咏佑|式供電,輸電線路阻抗不可忽略,會產(chǎn)生較大的線路損耗。輸電線路的老化、破損則會使線路絕緣性能下降進(jìn)而發(fā)生漏電、起火、觸電等嚴(yán)重事故。同時,傳統(tǒng)有線傳能消耗了大量線材,造成資源短缺、生態(tài)破壞。而無線電能傳輸不僅可以規(guī)避電線短路、帶電插拔的安全事故,還可以消除房間電線冗雜,電器、插座位置擺放固定、不美觀的局限,具有廣闊的發(fā)展前景[1]。
21世紀(jì)初,麻省理工的研究者運(yùn)用自旋磁共振式的無線傳能理論成功點(diǎn)亮了2 m外的燈泡,使無線電能傳輸技術(shù)得到廣泛認(rèn)可,引起廣大學(xué)者的重視[2]。但無線電能傳輸也存在其局限性。無線電能在傳輸過程中的損耗較大,電能在空間中彌散,強(qiáng)度減弱,造成能量傳輸效率普遍降低。尤其是在中長距離無線電能傳輸領(lǐng)域,傳能效率低的問題更為普遍。
中長距離無線傳能技術(shù)常采用磁耦合諧振方式。磁耦合諧振方式具有以下優(yōu)點(diǎn):①有強(qiáng)耦合諧振技術(shù)的支撐,具有傳輸距離遠(yuǎn)、效率高、功率大的優(yōu)勢;②采用磁場耦合式,可穿透一切非金屬材料,但對人類無輻射影響。文獻(xiàn)[3]研究了在短距離無線電能傳輸中頻率偏移對系統(tǒng)最大傳能效率的影響,著重考慮了線圈參數(shù)的調(diào)節(jié),但因電能傳輸距離較短,未考慮電能輻射損耗的影響。文獻(xiàn)[4]研究了在短距離無線電能傳輸中阻抗匹配對傳輸功率的影響,強(qiáng)調(diào)了調(diào)節(jié)等效阻抗的方法,但仍未在中長距離無線傳能領(lǐng)域使用和驗(yàn)證,也未重點(diǎn)研究傳能效率的問題。文獻(xiàn)[5]研究了短距離無線電能傳輸諧振頻率會隨著傳輸距離的變化而改變,利用阻抗匹配的方式匹配諧振頻率和系統(tǒng)頻率進(jìn)而達(dá)到最大效率,忽略了傳輸距離較大時電能輻射是主要損耗的問題。
目前尚無利用阻抗匹配和屏蔽的方法提高中長距離無線傳能效率的實(shí)驗(yàn)研究。因此,文中針對傳輸距離為1 m的中長距離無線電能傳輸系統(tǒng),分析自身系統(tǒng)負(fù)載阻抗匹配對系統(tǒng)最大效率點(diǎn)的影響,并在實(shí)驗(yàn)中采用鋁板屏蔽的方式減少磁能損耗,進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。
1 原理與設(shè)計
1.1 磁耦合諧振式工作原理
磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)具有傳能效率高、傳輸范圍遠(yuǎn)、傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)。因此無線傳能方面有著廣泛的應(yīng)用[6]。磁耦合諧振式長距離無線傳能系統(tǒng)的原理如圖1所示。
從直流電源輸入的電壓經(jīng)高頻逆變電路變?yōu)榫哂刑囟l率的交流電壓輸入磁耦合機(jī)構(gòu),原邊電路和副邊電路利用耦合電感進(jìn)行能量傳遞。電能傳遞至副邊電路后,再通過整流濾波電路,為負(fù)載供電。通過對發(fā)射線圈和接收線圈匹配補(bǔ)償電容,使電容與電感諧振,從而使整個系統(tǒng)輸入端的無功功率為零,提高能量傳輸效率。同時,采用增加屏蔽與匹配阻抗的方法,進(jìn)一步提升系統(tǒng)能量傳輸效率。
1.2 串串型磁耦合諧振式無線傳能系統(tǒng)電路模型分析
根據(jù)發(fā)射和接收線圈發(fā)生串聯(lián)、并聯(lián)諧振形式的不同,磁耦合諧振式長距離無線傳能系統(tǒng)可分為串串、并并、串并、并串四類拓?fù)鋄7]。其中發(fā)射線圈和接收線圈同時發(fā)生串聯(lián)諧振(SS型)的拓?fù)鋫髂芙Y(jié)構(gòu)的負(fù)載反射阻抗表現(xiàn)為純阻性,便于系統(tǒng)設(shè)計與分析,適合小負(fù)載研究[8]。因此文中選擇SS拓?fù)溥M(jìn)行后續(xù)研究與實(shí)驗(yàn)。
在磁耦合諧振原理和SS型諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,該長距離無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型如圖2所示。DC為輸入的直流電源,IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4為相同參數(shù)的MOSFET,共同組成全橋高頻逆變電路。L1、L2、R1、R2、C1、C2分別為變壓器一次、二次線圈的等效電感、等效電阻、等效電容。VD1、VD2、VD3、VD4為參數(shù)相同的整流二極管,共同組成全橋整流電路。C0為濾波電容,RL為負(fù)載電阻。
由直流電源輸入的電壓經(jīng)MOSFET組成的高頻逆變電路后,變?yōu)榫哂刑囟l率的交流電壓輸入原邊線圈。變壓器一次、二次線圈通過耦合電感完成能量的傳輸。電能由副邊線圈接收后,通過整流二極管組成的整流電路和電容濾波電路后為負(fù)載供電。
1.3 中長距離無線傳能磁耦合線圈特點(diǎn)
耦合系數(shù)與氣隙長度、線圈外徑及其相對長度等因素有關(guān),李振杰等人研究表明[9],耦合系數(shù)k12為
由式(1)可知,耦合系數(shù)k12與氣隙長度d12的三次方成反比,介于本模型中r1≈r2,因此耦合系數(shù)k12與線圈半徑r的三次方成正比,即當(dāng)氣隙長度越大、線圈半徑越小時,耦合系數(shù)將會變得越低。
增加線圈半徑后,匝數(shù)增多,利茲線長度增大,銅耗增加;鐵心長度增加,磁滯損耗、渦流損耗和耦合損耗都會有所增加[10]。實(shí)驗(yàn)中采取在線圈周圍增加鋁板以減少磁滯損耗[11]。
1.4 長距離無線傳能系統(tǒng)效率分析
構(gòu)建的無線傳能系統(tǒng)等效模型如圖3所示,L1、L2分別通過與C1和C2產(chǎn)生諧振,構(gòu)成了試驗(yàn)對象無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)送原邊與接收副邊,將頻率為200 kHz的交流電源接入發(fā)送原邊線圈,空間產(chǎn)生同等頻率交變磁場,于是感應(yīng)電動勢由接收副邊產(chǎn)生,從而成功將電能從一次側(cè)傳輸至一次側(cè)。I1為發(fā)送變壓器一次側(cè)所流過的諧振電流,I2為接收變壓器二次側(cè)所流過的諧振電流,M12為線圈L1與L2之間的互感。在電力電子技術(shù)中,開關(guān)電路中的直流輸入電壓Us和負(fù)載電阻RO與等效交流電源us和等效電阻負(fù)載RL的關(guān)系為:
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建
建立了一個工作頻率在200 kHz、傳導(dǎo)距離為1 m的磁耦合諧振方式的無線傳導(dǎo)系統(tǒng),通過仿真和試驗(yàn)來證實(shí)前述方法中負(fù)載改變對系統(tǒng)傳導(dǎo)效率影響的準(zhǔn)確性。在相應(yīng)的串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[13],該系統(tǒng)由直流電源、開關(guān)電源RF、高頻逆變器、原邊線圈L1和副邊線圈L2、諧振電路原邊電容C1和副邊電容C2、整流器、電子負(fù)載以及相關(guān)控制器等組成。其中,主控制器采用STM32F103系列單片機(jī)。同時,為了提高無線傳能系統(tǒng)的效率,在系統(tǒng)外圍搭設(shè)鋁板箱,對線圈進(jìn)行全方位屏蔽,試驗(yàn)裝置如圖4所示。
2.2 實(shí)驗(yàn)線圈設(shè)計
使用ANSYS中的MAXWELL設(shè)計了氣隙長為1 m的磁耦合線圈,仿真模型如圖5所示。其中,兩磁耦合線圈正對距離為1 m,兩磁耦合線圈外徑均為750 mm,內(nèi)徑均為723 mm,匝數(shù)為9匝;鐵心對稱排列,鋪在線圈外側(cè)各5條,每條間距300 mm。依據(jù)仿真參數(shù),實(shí)驗(yàn)采用利茲線繞成線圈,實(shí)物鐵心規(guī)格為1 600 mm×25 mm×10 mm,共80塊,實(shí)物線圈如圖6 所示。
諧振線圈實(shí)際參數(shù)如表1所示。R1為一次線圈內(nèi)阻,R2為二次線圈內(nèi)阻,Cw1為一次線圈外徑,Cw2為二次線圈外徑,Cn1為一次線圈內(nèi)徑,Cn2為二次線圈內(nèi)徑,N1為一次線圈匝數(shù),L1為二次線圈匝數(shù),L1為一次側(cè)自感,L2為二次側(cè)自感,M1為一次側(cè)互感,M2為二次側(cè)互感。
2.3 實(shí)際最優(yōu)負(fù)載計算
由1.4節(jié)中無線傳能系統(tǒng)效率分析推導(dǎo)式可知,當(dāng)頻率為固定變量時,負(fù)載電阻對無線傳能效率極為重要。
電源的輸入直流電壓Vs=50 V,系統(tǒng)的額定工作頻率為200 kHz,將表1數(shù)據(jù)代入式(7),經(jīng)過計算可得傳能效率與負(fù)載電阻的關(guān)系式
由式(9)可知,在小電阻負(fù)載的情況下,效率隨電阻增大迅速上升;經(jīng)計算電阻負(fù)載等于48.07 Ω時效率最大,此時電流與電阻滿足≈,理論效率最高可達(dá)79.96%;傳能達(dá)到最大值后,當(dāng)負(fù)載電阻繼續(xù)增大,傳能效率緩慢下降。因此為了進(jìn)一步提高無線傳能效率,必須考慮傳能效率與負(fù)載電阻之間的關(guān)系,根據(jù)實(shí)際情況選出合理負(fù)載電阻。
2.4 數(shù)據(jù)分析
對于磁耦合諧振式無線傳能系統(tǒng)而言,傳輸效率無疑是衡量系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[13],效率越高,系統(tǒng)性能越好,設(shè)計更加科學(xué)。系統(tǒng)的損耗過大,能量轉(zhuǎn)換能力就越差,甚至?xí)驗(yàn)榘l(fā)熱嚴(yán)重而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[14]。負(fù)載是影響系統(tǒng)效率的重要參數(shù),在200 kHz工作頻率下,傳導(dǎo)距離1 m、輸入直流電壓為50 V時,負(fù)載阻值與傳輸效率之間的關(guān)系如圖7所示。
由圖7可知,傳導(dǎo)距離d12一定時,傳能效率η存在最大值,負(fù)載阻值為53 Ω時獲得最大值η=78.9%;負(fù)載阻值小于53 Ω時,傳能效率η隨著阻值的增大而增大;反之,負(fù)載阻值大于53 Ω時,傳能效率η隨著阻值的增大而減小。
實(shí)驗(yàn)過程中負(fù)載串聯(lián)輸入時,系統(tǒng)傳能效率與負(fù)載阻值之間的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知,當(dāng)傳輸距離d12一定,負(fù)載阻值為53.19 Ω時,取得最大傳輸效率η=77.72%;負(fù)載阻值小于53.19 Ω時,傳輸效率η隨著阻值增大而增大在負(fù)載阻值大于53.19 Ω時,傳能效率η隨著阻值增大而減少。由此可見,實(shí)驗(yàn)獲得的最大效率點(diǎn)(53.19 Ω,77.72%)與仿真得到的最大效率點(diǎn)(53 Ω,78.9%)誤差很小,進(jìn)一步驗(yàn)證了傳輸距離為1 m時最大傳輸效率對應(yīng)的負(fù)載阻值約為53 Ω。實(shí)驗(yàn)中制約系統(tǒng)傳能效率的主要原因有:系統(tǒng)中存在漏磁、線圈阻值較大導(dǎo)致銅耗較大等[15]。此外,中遠(yuǎn)距離無線電能傳輸輸出功率較小且有一定的數(shù)據(jù)跳動,測量和讀數(shù)時具有一定的誤差,因此實(shí)驗(yàn)測得的效率曲線與仿真得到的曲線存在一定的差異。
2.5 對比分析
對于串串型磁耦合諧振方式無線傳能系統(tǒng),磁通的泄露和負(fù)載阻抗大小是制約本系統(tǒng)傳能效率的主要因素。下面通過對比分析增加屏蔽和匹配阻抗對磁耦合諧振方式的無線傳能系統(tǒng)傳導(dǎo)效率的作用。
在未增加屏蔽、未匹配阻抗時,選定負(fù)載阻值R=20 Ω,實(shí)驗(yàn)效率η=35.982%;在增加屏蔽、未匹配阻抗時,選定負(fù)載阻值R=20 Ω,實(shí)驗(yàn)效率η=60.289%;在增加屏蔽、匹配阻抗且負(fù)載阻值R=53.19 Ω時取得效率最大值為η=77.72%。由此可見,增加屏蔽和進(jìn)行阻抗匹配均能有效增加傳能效率。
3 結(jié)論
文中分析了磁耦合式無線傳能系統(tǒng)最大傳能效率的相關(guān)問題,對該系統(tǒng)進(jìn)行理論分析并使用阻抗匹配的方法對系統(tǒng)傳能效率的影響進(jìn)行仿真模擬分析,獲得能夠達(dá)到最大傳能效率的阻抗值和效率值。設(shè)計了一套中長距離的無線傳能系統(tǒng),傳能距離為1 m,傳輸頻率為200 kHz,在相同輸入電壓下改變負(fù)載阻抗,得到不同的效率值,驗(yàn)證了無線傳能系統(tǒng)效率與負(fù)載阻抗值之間的密切關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明,200 kHz中長距離無線傳能系統(tǒng)在負(fù)載阻抗值為53 Ω時效率最大,為78.9%。
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