文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.036
中文引用格式: 胡金德,張小強(qiáng),章偉. 磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸效率的最優(yōu)化研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(5):131-134.
英文引用格式: Hu Jinde,Zhang Xiaoqiang,Zhang Wei. Optimization of magnetically coupled resonant wireless power transmission system[J].Application of Electronic Technique,2016,42(5):131-134.
0 引言
傳感網(wǎng)技術(shù)作為21世紀(jì)的一個(gè)重要新興科技領(lǐng)域,在理論應(yīng)用和市場(chǎng)方面保持著高速發(fā)展。任何用于傳感網(wǎng)的傳感器都需要電源。目前這些傳感器的電源都是直接或者間接來(lái)源于電池。隨著傳感網(wǎng)中大量微納傳感器分散布置在寬廣的區(qū)域,傳統(tǒng)的利用電池來(lái)提供電源及更換電池的方法不再適用。因此發(fā)展新型的傳感器供電系統(tǒng)是傳感網(wǎng)微納傳感器應(yīng)用的迫切要求。
從1893年Nikola Tesla利用無(wú)線(xiàn)電能傳輸原理點(diǎn)亮了熒光照明燈,到2013年AKASOL公司為龐巴迪公司推出了鋰離子電池?zé)o線(xiàn)感應(yīng)充電技術(shù),無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1-4]。在理論研究方面,André Kurs等人用數(shù)學(xué)模型描述了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法并說(shuō)明高Q值的線(xiàn)圈可以提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離[5]。采用超導(dǎo)體材料構(gòu)建的振蕩系統(tǒng)和線(xiàn)圈以及低的工作頻率可以降低系統(tǒng)的損耗達(dá)到提高傳輸效率的目的[6]。在實(shí)驗(yàn)研究方面,Marin Soljacic的團(tuán)隊(duì)在2007年利用磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)亮2 m外一個(gè)60 W的燈泡,而在2009年該團(tuán)隊(duì)增加了中繼線(xiàn)圈,搭建了三諧振系統(tǒng),最終發(fā)現(xiàn)其比僅有發(fā)射和接收線(xiàn)圈的二諧振系統(tǒng)的傳輸效率要高[7]。
在目前實(shí)際的應(yīng)用中,基于發(fā)射、中繼、接收線(xiàn)圈構(gòu)成的磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),是最易于實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì),然而鮮有關(guān)于這些線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化的報(bào)道??紤]到無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的微傳感器供電實(shí)際應(yīng)用中傳輸距離遠(yuǎn)、傳感器數(shù)量多以及微型化的要求,本文著重研究了在低頻、小尺寸下增強(qiáng)線(xiàn)圈、多個(gè)接收端、隔磁材料(隔磁片)對(duì)磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)傳輸距離和效率的影響與優(yōu)化。分別對(duì)有發(fā)射和接收線(xiàn)圈、單個(gè)增強(qiáng)線(xiàn)圈、諧振線(xiàn)圈附加隔磁片、多接收端4種情況分別進(jìn)行研究,并與理論模擬的效率進(jìn)行對(duì)比。
1 實(shí)驗(yàn)
磁諧振耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、直流電源、驅(qū)動(dòng)電路(功率放大電路)、發(fā)射和接收線(xiàn)圈、整流濾波電路、負(fù)載組成(圖1)。為保證實(shí)現(xiàn)諧振傳輸,本實(shí)驗(yàn)所搭建的低功率、小尺寸結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)中兩個(gè)線(xiàn)圈的參數(shù)保持一致。
實(shí)驗(yàn)中線(xiàn)圈采用匝數(shù)N均為20匝、直徑均為6.5 cm、0.01 mm×40的李茲線(xiàn),電容為1.5 nF。MOS管采用IR公司的IRF540N,該MOS管耐壓值為100 V,最大漏極電流達(dá)到33 A,導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間均為35 ns。MOS管驅(qū)動(dòng)芯片為IR公司生產(chǎn)的MOS管驅(qū)動(dòng)芯片,具有體積小、集成度高、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)且成本低、易于調(diào)試[8]。信號(hào)發(fā)生器采用RIGOL公司的DG1022,直流電源型號(hào)為DP1116 A。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作頻率(諧振頻率)為536 kHz,供給諧振線(xiàn)圈的直流電源電壓為10 V。
系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率是使接收線(xiàn)圈上的負(fù)載兩端的電壓達(dá)到最大(本實(shí)驗(yàn)采用1 kΩ電阻代替負(fù)載)。固定發(fā)射線(xiàn)圈,和接收線(xiàn)圈保持同軸、平行放置。每移動(dòng)一次接收線(xiàn)圈調(diào)節(jié)信號(hào)頻率以保持負(fù)載上的電壓值最大,并記錄發(fā)射功率。在分別做完原始系統(tǒng)和帶有一個(gè)增強(qiáng)、附加隔磁片、多接收端系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之后計(jì)算系統(tǒng)傳輸效率,對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果后得出結(jié)論。
2 結(jié)果與討論
本文的研究是基于一個(gè)增強(qiáng)線(xiàn)圈的三諧振系統(tǒng),三個(gè)線(xiàn)圈的尺寸相同,具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
與Marin Soljacic的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中采用線(xiàn)圈自身的寄生電容構(gòu)成諧振系統(tǒng)相比[5],本文中采用外接電容與線(xiàn)圈為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)諧振頻率更容易調(diào)節(jié)并避免使用過(guò)程中的其他因素導(dǎo)致線(xiàn)圈自身的寄生電容發(fā)生改變,進(jìn)而使得諧振頻率發(fā)生改變導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)共振傳輸[9]。本系統(tǒng)中增強(qiáng)線(xiàn)圈放置在發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間用來(lái)提高系統(tǒng)的傳輸距離和效率。為保證系統(tǒng)正常工作,發(fā)射、增強(qiáng)、接收線(xiàn)圈的諧振頻率相同以達(dá)到共振。增強(qiáng)線(xiàn)圈僅由線(xiàn)圈和電容組成,且其參數(shù)和發(fā)射、接收線(xiàn)圈完全一致以保證增強(qiáng)線(xiàn)圈和發(fā)射、接收線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)共振傳輸。由于增強(qiáng)線(xiàn)圈僅由諧振線(xiàn)圈和諧振電容組成,因此具有很高的品質(zhì)因數(shù)[7]。系統(tǒng)工作時(shí),發(fā)射線(xiàn)圈和增強(qiáng)線(xiàn)圈發(fā)生耦合共振,再通過(guò)增強(qiáng)線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間的耦合諧振傳輸給接收線(xiàn)圈。最后,接收線(xiàn)圈將能量供給負(fù)載使用。
首先研究增強(qiáng)線(xiàn)圈對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響。結(jié)果如圖3所示,在其他參數(shù)不變的情況下,分別測(cè)試有、無(wú)增強(qiáng)線(xiàn)圈兩種情況下對(duì)傳輸效率影響。
當(dāng)加入一個(gè)增強(qiáng)線(xiàn)圈,同時(shí)固定接收線(xiàn)圈和發(fā)射線(xiàn)圈的位置,移動(dòng)增強(qiáng)線(xiàn)圈的位置并調(diào)節(jié)頻率可改變輸出效率。從圖3中可以看出,隨著傳輸距離的增大,系統(tǒng)的傳輸效率不斷下降。這是由于隨著距離的增加線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)減小,使得傳輸效率下降。然而從圖3可以看出,在有增強(qiáng)線(xiàn)圈的情況下, 即使在較遠(yuǎn)距離處,其傳輸效率要明顯大于沒(méi)有增強(qiáng)線(xiàn)圈的情況。在4~7 cm的傳輸距離內(nèi),傳輸效率可增加20%。其原因在于當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)急劇下降導(dǎo)致效率降低;而當(dāng)有增強(qiáng)線(xiàn)圈時(shí)其放大了來(lái)自發(fā)射線(xiàn)圈的能量,其等同于減小了發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的距離,提高了效率[7]。
然后研究了兩個(gè)接收端對(duì)傳輸效率的影響。由于發(fā)射線(xiàn)圈所建立磁場(chǎng)的方向并不是指向單一的方向,為改善效率,考慮在前后各放置一個(gè)接收線(xiàn)圈,接收線(xiàn)圈1和接收線(xiàn)圈2,兩個(gè)接收線(xiàn)圈使用相同的負(fù)載,如圖4所示。
為了確保磁耦合共振,發(fā)射線(xiàn)圈和兩個(gè)接收線(xiàn)圈的電感、尺寸、材料等參數(shù)保持不變。實(shí)驗(yàn)時(shí)保持發(fā)射線(xiàn)圈固定,同時(shí)移動(dòng)兩個(gè)接收線(xiàn)圈以保持接收線(xiàn)圈1和接收線(xiàn)圈2與發(fā)射線(xiàn)圈的距離相等。
如圖5所示,隨著兩個(gè)接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈距離越來(lái)越遠(yuǎn),兩種系統(tǒng)傳輸效率均逐漸下降。但兩個(gè)接收端系統(tǒng)的傳輸效率要比一個(gè)接收端的效率高。因此增加了一個(gè)接收端實(shí)際提高了發(fā)射線(xiàn)圈能量的利用率。
最后研究了隔磁片對(duì)傳輸效率的影響。隔磁片是一種具有較高導(dǎo)磁性能的磁性片,能高度聚集磁通Φ值,防止磁能量在空氣或其他物體上傳導(dǎo)發(fā)生能量損失[10],起到隔磁、磁屏蔽、增加電感,從而提高充電效率,降低充電器發(fā)熱量的作用。實(shí)驗(yàn)中采用硬質(zhì)錳鋅鐵氧體隔磁片,分別將隔磁片貼附在發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的背面,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
從圖中可以看出,當(dāng)接收線(xiàn)圈貼附隔磁片時(shí)傳輸效率最高,其與原系統(tǒng)相比效率提升效果明顯。而給發(fā)射線(xiàn)圈貼附隔磁片傳輸效率最低。因此在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)將隔磁片貼附在接收線(xiàn)圈一面,至于貼附在發(fā)射線(xiàn)圈一面?zhèn)鬏斝式档停蛏写芯俊?/p>
3 討論
本實(shí)驗(yàn)中搭建系統(tǒng)的等效電路模型如圖7所示。
其中,VS為等效交流源,C1、C2為諧振電容,L1、L2為線(xiàn)圈電感,R1、R2為線(xiàn)圈內(nèi)阻,RS為電源內(nèi)阻,M為兩線(xiàn)圈的互感,RL為等效負(fù)載電阻,i1、i2為回路電流。由圖中電流方向列寫(xiě)KVL方程有:
而對(duì)于多接收端的情況,兩個(gè)接收端時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率要高于一個(gè)接收端。這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)接收端同時(shí)工作時(shí),在一定傳輸距離情況下,接收端所鉸鏈的總磁通比單個(gè)接收端工作時(shí)要大,更有效地利用了發(fā)射端所激發(fā)的磁場(chǎng),所以多接收端同時(shí)工作時(shí)其總傳輸效率要比單個(gè)接收端工作時(shí)大[12]。
接收線(xiàn)圈附加隔磁材料增大了系統(tǒng)的傳輸效率可由式(8)來(lái)解釋。當(dāng)線(xiàn)圈不加隔磁材料時(shí),μn=1;當(dāng)線(xiàn)圈加隔磁材料時(shí),μn>1使得互感M增大提高耦合系數(shù)k進(jìn)而調(diào)高了系統(tǒng)的傳輸效率。
4 結(jié)論和展望
增強(qiáng)線(xiàn)圈、多接收端、隔磁材料對(duì)磁耦合諧振傳輸影響的研究表明,優(yōu)化的設(shè)計(jì)能提高傳輸?shù)木嚯x和效率。這對(duì)于以后設(shè)計(jì)磁耦合諧振傳輸與設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的使用價(jià)值。
此外,本文目前僅僅研究了磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)能量傳輸中小功率、低頻的情況。進(jìn)一步微納傳感器無(wú)線(xiàn)供電方面研究可望在高頻、中等功率情況下提高傳輸距離、傳輸效率以及電能的收集等問(wèn)題上取得突破。
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