基于磁共振的最大效率无线电能传输系统设计

基于磁共振的最大效率无线电能传输系统设计

通信作者：王小云(1975—)，女，湖南张家界人，吉首大学物理与机电工程学院教授，硕士，硕士生导师，主要从事光学研究.

肖剑，王小云，全秀娥，黄勇刚，孙晶

(吉首大学物理与机电工程学院，湖南 吉首 416000)

摘要：为优化无线电能传输系统参数对传输效率的影响，提高传输效率，首先，分析无线电能传输系统的电路等效模型的频率响应，求解出系统传输效率与参数之间的关系，验证了过耦合条件下的频率分叉导致系统传输效率降低；其次，提出了一种基于自动控制获取最佳系统共振频率及线圈方向角的最大传输效率无线电能传输系统设计方法.Multisim仿真结果表明，在过耦合情况下，本系统能够有效提高系统的传输效率，其传输效率可提高43%以上.

关键词：传输效率；自动控制；共振频率；线圈方向角

文章编号：1007-2985(2015)05-0057-06

收稿日期：2015-02-21

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(13JJ6059，13JJB015，13JJB010)；湖南省教育厅科学研究项目(13C750，13B091)；吉首大学研究性学习和创新性实验计划资助项目(JSU-CX- 2014-69)

作者简介：肖剑(1991—)，男，湖南衡阳人，吉首大学物理与机电工程学院学生，主要从事无线电能传输技术研究

中图分类号：TP391.9；TM74文献标志码：A

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.013

有线电能传输随着电子、电气业的快速发展，其资源浪费的缺点日益显现.2007年MIT科学家利用磁共振无线传输原理做了一个突破性的实验，点亮了位于2 m外功率为60 W的灯泡，电能传输效率约40%[1].文献[2-6]中注重对传输系统的参数分析，而忽视了通过对参数控制来优化系统.

对于传统的电能传输系统，发送线圈与接收线圈要求处于同一水平线上，这样才能使得发送线圈所激发的磁感线更多地通过接收线圈，若2个线圈不满足此条件，系统的传输效率将大大降低.笔者根据天线方向控制原理，由微控制器控制步进电机，实现平面自由度的传输效率最大化，并将设计拓展到多负载的传输系统，优化了文献[7]中设计的多负载供电系统.

1　无线电能传输系统电路等效模型

1.1 电路等效模型

无线电能传输系统通常由驱动、发送、接收、拾取等4个线圈组成，其传输装置如图1所示.

图1　无线电能传输系统装置

为了减少电能传输系统中能量的损耗，驱动线圈和拾取线圈一般采用单匝线圈，其电感和电阻极小.

图2　电路等效模型

为了简化电路模型的分析，可忽略其对传输系统的影响，同时在高频条件下所产生的寄生电容也可以忽略.因为驱动、发送、接送和拾取线圈之间的距离很近，所以其相互之间耦合为完全耦合，其电路等效模型见图2.其中：Ls，Ld，Rs，Rd分别为发送线圈和接收线圈的等效电感和电阻；Cs，Cd分别为发送线圈和接收线圈在高频条件下的寄生电容；RL为负载电阻.

1.2 等效电路模型的传输效率分析

根据基尔霍夫定律，由图2可知

(1)

(2)

该系统的频率响应为

(3)

由(2)式可知，当系统处于共振状态时，则Zs=Zd=0，此时输出电流Id达到最大值.在相同的输入和负载条件下，系统的电压增益也同时达到最大，此时系统的传输效率最大[5].

对(3)式取模可得

(4)

无线电能传输系统中线圈电阻主要包括欧姆损耗电阻R0和辐射电阻Rr.在高频条件下，R0≫Rr，且

(5)

其中：μ0为真空磁导率，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为线圈导线半径.

为了计算及分析方便，假设发送线圈和接收线圈的参数完全一样(Rs=Rd=R0，Ls=Ld=L，Cs=Cd=C)，则发送与接收线圈之间的互感系数为[8]

(6)

从角频率w的次方数来看，角频率w对R0的影响远小于对X与(wM)2的影响，在研究角频率w对无线电能传输系统的影响时，可忽略角频率w对损耗电阻的影响，即将R0看成一个常量，则(4)式可写成

(7)

(8)

要使传输效率最大，则共振频率w0与耦合系数n应满足

(9)

由(5)，(6)式可知，线圈的半径r和线圈越大，则线圈之间的互感系数M越大，系统的传输距离越远.然而r的增大会造成损耗电阻R0和系统的能耗增大，最终导致无线电能传输系统的传输效率降低.同理，线圈匝数增加势必造成线圈电感增大，系统的共振频率降低，传输距离减少[9]；导电率u越大，欧姆损耗电阻R0越少，系统能耗的越小，系统传输效率越大.由(6)，(9)式可知，频率分叉的主要原因是传输距离D的变化，D的变化引起M变化，从而使系统频率w0与负载RL不匹配.当传输距离D小于某个值时，η>1，系统处于过耦合的状态下，传输系统的共振频率发生发叉现象，此时共振频率与临界耦合的共振频率有较大差别.传输系统若继续处于临界耦合状态下，则不能达到最佳的传输效率.所以当传输距离发生改变时，系统应具有频率自动校准功能，以维持系统的最大传输效率的状态.

2　无线电能传输系统设计

2.1 系统结构设计

基于以上分析，为实现无线电能传输系统的远距离传输，选择半径较大、匝数较多的线圈；若要对无线电能传输系统的传输效率有较高要求，则选择半径和匝数较小的线圈.本无线电能传输系统采用折中原则，其结构见图3.在接收端，电流传感器检测接收回路的电流，然后由微控制器1的AD采样模块将采集到的数据通过蓝牙发送到微控制器2的接收端，并进行相应的处理，求出最大的Id所对应发送线圈方向角和系统工作频率，并将该频率和方向角设置为系统的工作参数.当微控制器2接收的数据较上次最佳工作状态时有较大的偏差时，系统则再次失谐，自动进行第2次频率和方向角调整.当微控制器1多次接收的Id≈0时，则表明系统已处于欠耦合状态，微控制器1处于低功耗模式.

图3　传输系统结构

无线电能传输系统控制工作流程如图4，5所示，频率及方向角控制工作流程如图6，7所示.

图4　微控制器1工作流程

图5　微控制器2工作流程

图6　频率控制工作流程

图7　方向角控制工作流程

2.2 方向角跟随模块

微控制器1控制步进电机的旋转，改变发送线圈的方向角，角度传感器(陀螺仪)记录当前线圈的偏角，并利用微控制器1接收的数据判定是否为最佳方向角.程序执行前，由步进电机和角度传感器测试出角度的最大值Angle_max与最小值Angle_min，并对Angle_max，Angle_min，Angle及Id等参数进行初始化，Angle的初值为Angle_min.

2.3 频率跟随模块

图8　频率跟随模块电路

利用变容二极管的压电效应，通过微控制器1中的DA转换器输出电压改变变容二极管两端的电压，从而改变其电容，最终改变高频功率放大器的共振频率.频率跟随模块电路见图8.利用微控制器1的输入捕捉通道对高频功率放大电路的输出信号进行捕捉，根据捕捉信号的频率来设置高频功率放大输入信号的频率，从而保证高频功率放大器的高增益[10].

与角度控制一样，程序执行前初始化由变容二极管测试得到的控制电压最大值U_max和最小值U_min，并将控制电压赋初始值U_min.

2.4 多负载传输模块

图9　多负载系统

当有多个负载与发送线圈的蓝牙接收设备相连接时，微控制器1则接收多个负载电流数据，并对其求和.依据单负载系统的传输原理，便可得到多负载系统的最佳系统工作频率和发送线圈方向角.

本系统的主要元件包括驱动、发送、接收、拾取等4个线圈，蓝牙收发装置，电流传感器，角度传感器以及发送级和接收级微控制器.系统对发送级微控制器要求较高，要求具备串口通信功能、高频信号捕捉功能、高频率PWM发生功能，而接收级微控制器只要求具备串口模块和AD采样模块即可.普通的蓝牙工作在2.4 GHz ISM 波段，无线电能传送系统不会干扰蓝牙数据的传输.

3　系统仿真结果

采用Multisim软件对上述电路模型进行仿真测试.参数设置如下：k=0.2，R0=5 Ω，RL=10 Ω，Cs=Cd=3 pF，Ls=Ld=200 μH.在过耦合的条件下，其幅频特性曲线如图10所示.

图10　过耦合条件下的幅频特性曲线

在不同耦合系数的情况下，无线电能传输系统的电能传输效率η1与未校正系统的电能传输效率η2见表1.

表1　不同耦合系数下系统电能传输效率比较

图11　系统传输效率优化对比

4　结语

基于磁共振的无线电能传输系统的传输效率与线圈匝数、半径及线圈导线半径等参数有关，优化系统参数可以提高无线电能传输系统的传输效率.针对传输系统在过耦合的条件下的频率分叉现象导致传输系统的传输效率降低这一问题，笔者提出了最大效率无线电能传输系统的设计方法，消除了因频率带来的传输效率降低问题，实现了传输系统在二维平面上最大传输效率的设计.同时，该系统实现了传输系统的自动调整及多负载供电功能.Multisim仿真测试表明，在文中设置的仿真参数条件下，无线电能传输系统处于过耦合时，其电能传输效率达可提高43%以上.

参考文献：

[1] KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances[J].Science，2007，317(6)：83-86.

[4] 朱春波，于春来，毛银花，等.磁共振无线能量传输系统损耗分析[J].电工技术学报，2012，27(4)：13-17.

[5] 傅文珍，张波，丘东元，等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009，29(18)：21-26.

[6] 王学通，冀文峰，薛卧龙.耦合谐振无线电力传输谐振频率跟随设计[J].微型机与应用，2013，32(8)：58-60.

[7] 朱俊杰，陈程，李智，等.基于电磁耦合阵列定位的无线电能传输装置设计[J].电子技术与应用，2011，37(5)：68-70，74.

[8] GROVER F W.Inductance Calculations[M].New York：Courier Dover Publication，2004：88-93.

[9] 李凤娥.磁共振无线电能传输系统最大传输距离的电路参数分析[J].南昌航空大学学报：自然科学版，2012,26(3)：48-51.

[10] 张肃文.高频电子线路[M].第5版.北京：高等教育出版社，2009：187.

Design of Maximum-Efficiency Wireless Power Transmission

System Based on Magnetic Resonance

XIAO Jian，WANG Xiaoyun，QUAN Xiu’e，HUANG Yonggang，SUN Jin

(College of Physics and Electromechanical Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

Abstract：The relationship between transmission efficiency and system parameters has been obtained by analyzing the frequency response of the transmission system equivalent circuit model，and the decrease of transmission efficiency caused by the frequency bifurcation phenomena in the over-coupling condition has been verified.The design of maximum-efficiency system to acquire the best resonant frequency and coil direction angle based on automatic control has been presented.The simulation based on Multisim12 software showed that the transmission efficiency can be improved in the over-coupling condition and it can reach 43%.

Key words：transmission efficiency；automatic control；resonant frequency；coil direction angle

(责任编辑陈炳权)