0 引言

    近年來(lái)，無(wú)線供電技術(shù)^[1-2]作為一種新型的電能傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，成為了許多應(yīng)用領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)。無(wú)線電能傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)，又稱為非接觸式電能傳輸(Contactless Power Transfer，CPT)，是指在沒(méi)有直接電氣連接的情況下，電能從電源到用電設(shè)備的一種能量傳輸方式。與傳統(tǒng)接觸式供電模式相比，無(wú)線電能傳輸主要有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是讓用電設(shè)備與供電電源之間無(wú)任何電氣連接，減少了傳統(tǒng)供電方式所帶來(lái)的安全隱患問(wèn)題，如電能傳輸中的線路損耗、線路老化等，同時(shí)也大大提高了用電設(shè)備的可靠性、安全性和靈活性；二是能量在傳輸過(guò)程中能夠穿過(guò)非磁性材料傳輸電能，如土壤、玻璃、空氣等，這大大降低了外部惡劣環(huán)境及其他因素對(duì)電能傳輸?shù)挠绊?，因此無(wú)線供電傳輸不受隔物影響。

磁耦合諧振式無(wú)線供電技術(shù)的理論基礎(chǔ)是耦合和諧振原理，兩個(gè)收發(fā)線圈通過(guò)磁場(chǎng)耦合和諧振將能量從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩斯┙o負(fù)載使用，從而實(shí)現(xiàn)能量的高效無(wú)線傳輸。無(wú)線供電領(lǐng)域中，磁耦合諧振式無(wú)線供電技術(shù)是一個(gè)最前沿的課題^[3-6]，該技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊，目前在家用電器、工業(yè)機(jī)器人、交通運(yùn)輸、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域都有了相關(guān)應(yīng)用。但國(guó)內(nèi)外的研究團(tuán)隊(duì)大多處于基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究階段，都在積極研制能夠廣泛使用的產(chǎn)品，其中一些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了一定的科研成果^[7-14]。

    本文旨在研究磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸特性，主要選取SS諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)的等效電路模型，以此來(lái)分析影響系統(tǒng)傳輸性能的主要因素；然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)小功率無(wú)線供電傳輸系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，最終通過(guò)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與理論仿真分析的吻合性。

1 磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)建模與分析

1.1 磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)

    磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在結(jié)構(gòu)上，磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)可以分為發(fā)射端和接收端兩部分，其中發(fā)射端包括直流電源、高頻逆變電路和發(fā)射諧振器，發(fā)射諧振器是由初級(jí)補(bǔ)償電容和發(fā)射線圈組成的共同體；接收端包括整流電路、負(fù)載和接收諧振器，接收諧振器是由次級(jí)補(bǔ)償電容和接收線圈組成的共同體。磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵是收發(fā)兩端諧振器的自諧振頻率達(dá)到一致。因此，一般在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為了保證兩端諧振器的自諧振頻率相同，通常會(huì)使發(fā)射諧振器和接收諧振器的物理參數(shù)相同，即收發(fā)線圈尺寸、形狀、繞制方式、匝數(shù)等，相應(yīng)諧振補(bǔ)償電容的參數(shù)也相同。此時(shí)發(fā)射諧振器與接收諧振器之間相隔的距離就是無(wú)線供電系統(tǒng)能量的傳輸距離。

    磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)正常工作時(shí)，高頻逆變電路把直流電逆變?yōu)橐粋€(gè)具有特定頻率的高頻交流電作為發(fā)射端諧振器的高頻激勵(lì)源，然后發(fā)射端諧振器產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)的頻率與兩端諧振器的自諧振頻率相同，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處在諧振工作狀態(tài)，通過(guò)磁耦合諧振將能量傳遞到相隔一定距離的接收端諧振器，最后經(jīng)過(guò)整流電路后供給負(fù)載使用。

1.2 磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

    取兩線圈結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)構(gòu)建耦合互感電路模型，則根據(jù)發(fā)射端與接收端的諧振電感與諧振補(bǔ)償電容的不同連接方式，可將系統(tǒng)分為串聯(lián)-串聯(lián)(S-S)、串聯(lián)-并聯(lián)(S-P)、并聯(lián)-串聯(lián)(P-S)、并聯(lián)-并聯(lián)(P-P)四種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

    田子建^[15]等人對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(S-S型、S-P型、P-S型和P-P型)進(jìn)行了深入研究，研究發(fā)現(xiàn)磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的最大傳輸效率與發(fā)射端電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)必然聯(lián)系，只與接收端電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。基于這種情況，在選擇發(fā)射端電路結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)從LC諧振器輸出電流能力方面考慮。當(dāng)發(fā)射端LC諧振器為串聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，若發(fā)生諧振，LC諧振器呈純阻性且等效阻抗最小，能輸出最大電流；當(dāng)發(fā)射端LC諧振器為并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，若發(fā)生諧振，LC諧振器呈純阻性且等效阻抗最大，輸出的電流最小。發(fā)射端通過(guò)電流建立電磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行能量傳輸，由此可知，當(dāng)串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)構(gòu)的諧振器產(chǎn)生相同的輸出電流時(shí)，加在并聯(lián)諧振器兩端的電壓比串聯(lián)諧振器高得多。鑒于本文的研究對(duì)象是小功率無(wú)線供電系統(tǒng)，輸入的直流電源其電壓等級(jí)不高，因此發(fā)射端諧振器選用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

    吳二雷^[16]等人通過(guò)對(duì)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)除了S-S型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其他三種電路結(jié)構(gòu)的諧振補(bǔ)償電容都受負(fù)載阻值變化的影響。因此為了保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，本文磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的接收端諧振器選用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

    在典型兩線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立的基于S-S型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)等效電路模型如圖3所示。

1.3 系統(tǒng)輸出功率與傳輸效率計(jì)算

    圖3中U_s為輸入的理想高頻激勵(lì)源，角頻率為ω、I₁、I₂分別為收發(fā)端兩邊的電流；R₁、R₂分別為收發(fā)兩端耦合線圈在高頻狀態(tài)下的等效內(nèi)阻(包括歐姆電阻和輻射電阻)；L₁、L₂分別為兩端線圈的等效電感；C₁、C₂分別為收發(fā)兩端諧振器的等效電容(包括分布電容和諧振補(bǔ)償電容)；M為收發(fā)線圈兩者之間的互感；R₀為接收端的負(fù)載電阻。

    發(fā)射端電路的等效阻抗為：

    為了便于進(jìn)一步的計(jì)算與分析，假定發(fā)射諧振器與接收諧振器的固有物理參數(shù)相同，即兩端耦合線圈的等效電感和等效內(nèi)阻相等，對(duì)應(yīng)的諧振補(bǔ)償電容值相等，用數(shù)學(xué)公式表達(dá)就是L=L₁=L₂，R=R₁=R₂，C=C₁=C₂。

2 系統(tǒng)傳輸特性分析

    磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸水平主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率和能量的傳輸距離，與系統(tǒng)發(fā)射接收端諧振器的諧振頻率有密切關(guān)系。本文假定系統(tǒng)的發(fā)射線圈與接收線圈的固有物理參數(shù)相同，諧振補(bǔ)償電容的參數(shù)也相同，即兩端諧振器的自諧振頻率相同；高頻激勵(lì)源的工作頻率與兩端諧振器的自諧振頻率相同，使系統(tǒng)處于諧振工作狀態(tài)，從而來(lái)研究分析系統(tǒng)的傳輸特性。系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)取值如下：U_s=15 V，L=L₁=L₂=23.49 μH，R=R₁=R₂=0.603 Ω，C=C₁=C₂=1.078 nF。

2.1 系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率與諧振頻率的關(guān)系

    假定耦合系數(shù)k=0.5，負(fù)載電阻為R₀=50 Ω，根據(jù)參數(shù)仿真可以得到系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率與諧振頻率的關(guān)系如圖4所示。

    從輸出功率曲線圖可知，當(dāng)耦合系數(shù)與負(fù)載電阻的參數(shù)值固定時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率會(huì)隨著自諧振頻率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的情況，并且在中間某一特定頻率處達(dá)到最大值。從傳輸效率曲線圖可知，系統(tǒng)的傳輸效率幾乎不再增大。

2.2 系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率與負(fù)載阻值的關(guān)系

    假定耦合系數(shù)分別為k=0.1，系統(tǒng)諧振頻率f=1 MHz，根據(jù)參數(shù)仿真可以得到系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率與負(fù)載阻值的關(guān)系如圖5所示。

    從圖5可以看出系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率都隨著負(fù)載電阻的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的情況。

2.3 系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率與耦合系數(shù)的關(guān)系

    假定系統(tǒng)諧振頻率f=1 MHz，負(fù)載電阻分別為R₀=50 Ω，根據(jù)參數(shù)仿真可以得到系統(tǒng)傳輸功率、傳輸效率與耦合系數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

    從圖6輸出功率曲線圖可以看出，系統(tǒng)的輸出功率隨著耦合系數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的情況；從傳輸效率曲線圖可以看出，系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)隨耦合系數(shù)的增大而不斷增大，當(dāng)k=1時(shí)取得最大值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，其中無(wú)線供電系統(tǒng)的發(fā)射線圈與接收線圈處于水平同軸位置放置，傳輸距離d=10 cm，功率開(kāi)關(guān)管的實(shí)際工作頻率為1 MHz，接收端將整流濾波后的直流量經(jīng)過(guò)DC-DC穩(wěn)壓模塊處理之后輸出電壓等級(jí)為5 V的穩(wěn)定直流電壓，與負(fù)載電阻相接，同時(shí)為了便于觀察能量傳輸最直觀的效果，因此又和負(fù)載電阻串聯(lián)了一個(gè)LED指示燈，通過(guò)亮度來(lái)直觀地判斷系統(tǒng)的傳輸能力。

3.1 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

    為了研究本文所設(shè)計(jì)的小功率無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸性能，首先要進(jìn)行無(wú)線供電系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)以確保系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)，而對(duì)無(wú)線供電系統(tǒng)的測(cè)試主要是通過(guò)示波器觀察系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)處的電壓波形，即觀察不同傳輸距離處接收線圈的電壓輸出波形，如圖8所示。

    從圖8可以看出接收線圈輸出的波形為正弦波，其頻率都為1 MHz，電壓幅值會(huì)隨著傳輸距離的增大出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，而且在某個(gè)傳輸距離處達(dá)到最大值。以上現(xiàn)象驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和正確性，說(shuō)明系統(tǒng)能夠工作在正常狀態(tài)，為進(jìn)一步研究系統(tǒng)的傳輸特性給出了保障。

3.2 傳輸距離對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響

    在實(shí)驗(yàn)約束的條件下，首先放置發(fā)射線圈和接收線圈在水平同軸位置，使系統(tǒng)處在諧振工作狀態(tài)下，然后固定接收端負(fù)載電阻值，分別測(cè)量在不同的能量傳輸距離下，當(dāng)接收端的負(fù)載阻值R₀=50 Ω時(shí)系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以繪制出系統(tǒng)的距離傳輸特性圖，如圖9所示。

    從圖9可以明顯看出，當(dāng)負(fù)載阻值固定時(shí)，隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)逐漸降低，而系統(tǒng)的輸出功率會(huì)先增大后減小，在某個(gè)距離處達(dá)到最大值，此結(jié)果與2.3小節(jié)的理論分析比較吻合。

3.3 負(fù)載阻值對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響

    在實(shí)驗(yàn)約束的條件下，首先放置發(fā)射線圈和接收線圈在水平同軸位置，使系統(tǒng)處在諧振工作狀態(tài)下，然后固定線圈之間傳輸距離為d=10 cm，測(cè)量固定傳輸距離下負(fù)載阻值變化時(shí)系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以繪制出系統(tǒng)的負(fù)載阻值傳輸特性圖，如圖10所示。

    從圖10可以看出，在固定諧振頻率與固定傳輸距離下，隨著負(fù)載阻值的不斷增大，系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率都呈現(xiàn)出先增大后減小的情況，并且分別在某一負(fù)載阻值處達(dá)到最大值；通過(guò)對(duì)比分析可以看出最大傳輸效率對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻值小于最大輸出功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻值；此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2.2小節(jié)的理論分析基本吻合。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種小功率磁耦合諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)，選用S-S型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建了耦合互感電路模型，借助MATLAB仿真分析研究了諧振頻率、負(fù)載阻值和耦合系數(shù)對(duì)傳輸特性的影響。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與MATLAB仿真分析結(jié)果較一致，表明系統(tǒng)的整體硬件電路能夠進(jìn)行正常的電能無(wú)線傳輸；傳輸特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析比較吻合，證明了本文設(shè)計(jì)的無(wú)線供電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中合理可行。

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作者信息:

王  帥，薛寒寒

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州450015)