磁耦合谐振式无线电能传输效率的最优化研究

胡金德，张小强，章　伟，3

(1.南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京211816；2.南京益得冠电子科技有限公司，江苏 南京 211100；3.南京工业大学 化学化工学院，江苏 南京 210009)

磁耦合谐振式无线电能传输效率的最优化研究

胡金德1，张小强2，章伟1，3

(1.南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京211816；2.南京益得冠电子科技有限公司，江苏 南京 211100；3.南京工业大学 化学化工学院，江苏 南京 210009)

无线充电在电动汽车、无线传感器网系统有着极其广泛的应用。提高无线能量充电的效率是无线充电应用的核心。为了提高磁耦合谐振无线电能传输系统的传输效率，研究了增强线圈（或中继线圈）、多接收端、隔磁片对电能系统传输效率的影响。研究结果表明增加一个增强线圈、多个接收线圈以及在接收线圈一侧附加隔磁片均可提高磁耦合谐振无线电能传输的效率。三者组成系统的效率经优化后比原始系统提高了17%。

无线电能传输；增强线圈；多接收端；隔磁片

0　引言

传感网技术作为21世纪的一个重要新兴科技领域，在理论应用和市场方面保持着高速发展。任何用于传感网的传感器都需要电源。目前这些传感器的电源都是直接或者间接来源于电池。随着传感网中大量微纳传感器分散布置在宽广的区域，传统的利用电池来提供电源及更换电池的方法不再适用。因此发展新型的传感器供电系统是传感网微纳传感器应用的迫切要求。

从1893年Nikola Tesla利用无线电能传输原理点亮了荧光照明灯，到2013年AKASOL公司为庞巴迪公司推出了锂离子电池无线感应充电技术，无线电能传输技术取得了长足的发展[1-4]。在理论研究方面，André Kurs等人用数学模型描述了该技术实现的方法并说明高Q值的线圈可以提高系统的传输效率和传输距离[5]。采用超导体材料构建的振荡系统和线圈以及低的工作频率可以降低系统的损耗达到提高传输效率的目的[6]。在实验研究方面，Marin Soljacic的团队在2007年利用磁谐振耦合无线能量传输技术实现了点亮 2 m外一个60 W的灯泡，而在2009年该团队增加了中继线圈，搭建了三谐振系统，最终发现其比仅有发射和接收线圈的二谐振系统的传输效率要高[7]。

在目前实际的应用中，基于发射、中继、接收线圈构成的磁耦合谐振无线电能传输系统具有简单的结构，是最易于实际应用的设计，然而鲜有关于这些线圈结构的最优化的报道。考虑到无线传感网络中的微传感器供电实际应用中传输距离远、传感器数量多以及微型化的要求，本文着重研究了在低频、小尺寸下增强线圈、多个接收端、隔磁材料（隔磁片）对磁耦合谐振无线电能传输系统传输距离和效率的影响与优化。分别对有发射和接收线圈、单个增强线圈、谐振线圈附加隔磁片、多接收端4种情况分别进行研究，并与理论模拟的效率进行对比。

1　实验

磁谐振耦合无线电能传输系统主要由信号发生器、直流电源、驱动电路(功率放大电路)、发射和接收线圈、整流滤波电路、负载组成(图1)。为保证实现谐振传输，本实验所搭建的低功率、小尺寸结构磁耦合谐振式无线能量传输系统中两个线圈的参数保持一致。

图1　传输系统示意图

实验中线圈采用匝数N均为20匝、直径均为6.5 cm、0.01mm×40的李兹线，电容为1.5 nF。MOS管采用IR公司的IRF540N，该MOS管耐压值为100 V，最大漏极电流达到33 A，导通和关断时间均为35 ns。MOS管驱动芯片为IR公司生产的MOS管驱动芯片,具有体积小、集成度高、响应快、驱动能力强等优点且成本低、易于调试[8]。信号发生器采用RIGOL公司的DG1022，直流电源型号为DP1116 A。实验系统的工作频率(谐振频率)为536 kHz，供给谐振线圈的直流电源电压为10 V。

系统调节信号发生器的频率是使接收线圈上的负载两端的电压达到最大(本实验采用1 kΩ电阻代替负载)。固定发射线圈，和接收线圈保持同轴、平行放置。每移动一次接收线圈调节信号频率以保持负载上的电压值最大，并记录发射功率。在分别做完原始系统和带有一个增强、附加隔磁片、多接收端系统实验之后计算系统传输效率，对比实验结果后得出结论。

2　结果与讨论

本文的研究是基于一个增强线圈的三谐振系统，三个线圈的尺寸相同，具体结构示意图如图2所示。

图2　加一个增强线圈的三谐振系统

与 Marin Soljacic的团队在实验中采用线圈自身的寄生电容构成谐振系统相比[5]，本文中采用外接电容与线圈为并联结构。优点是系统谐振频率更容易调节并避免使用过程中的其他因素导致线圈自身的寄生电容发生改变，进而使得谐振频率发生改变导致系统无法实现共振传输[9]。本系统中增强线圈放置在发射线圈和接收线圈之间用来提高系统的传输距离和效率。为保证系统正常工作，发射、增强、接收线圈的谐振频率相同以达到共振。增强线圈仅由线圈和电容组成，且其参数和发射、接收线圈完全一致以保证增强线圈和发射、接收线圈实现共振传输。由于增强线圈仅由谐振线圈和谐振电容组成，因此具有很高的品质因数[7]。系统工作时，发射线圈和增强线圈发生耦合共振，再通过增强线圈与接收线圈之间的耦合谐振传输给接收线圈。最后，接收线圈将能量供给负载使用。

首先研究增强线圈对系统传输效率的影响。结果如图3所示，在其他参数不变的情况下，分别测试有、无增强线圈两种情况下对传输效率影响。

图3　有无增强线圈对传输的影响

当加入一个增强线圈，同时固定接收线圈和发射线圈的位置，移动增强线圈的位置并调节频率可改变输出效率。从图3中可以看出，随着传输距离的增大，系统的传输效率不断下降。这是由于随着距离的增加线圈之间的互感系数减小，使得传输效率下降。然而从图3可以看出,在有增强线圈的情况下,即使在较远距离处，其传输效率要明显大于没有增强线圈的情况。在4～7 cm的传输距离内，传输效率可增加20%。其原因在于当距离较远时接收线圈与发射线圈之间的互感系数急剧下降导致效率降低；而当有增强线圈时其放大了来自发射线圈的能量，其等同于减小了发射线圈和接收线圈之间的距离，提高了效率[7]。

然后研究了两个接收端对传输效率的影响。由于发射线圈所建立磁场的方向并不是指向单一的方向，为改善效率，考虑在前后各放置一个接收线圈，接收线圈1和接收线圈2，两个接收线圈使用相同的负载，如图4所示。

图4　两个接收端的传输系统

为了确保磁耦合共振，发射线圈和两个接收线圈的电感、尺寸、材料等参数保持不变。实验时保持发射线圈固定，同时移动两个接收线圈以保持接收线圈1和接收线圈2与发射线圈的距离相等。

如图5所示，随着两个接收线圈与发射线圈距离越来越远，两种系统传输效率均逐渐下降。但两个接收端系统的传输效率要比一个接收端的效率高。因此增加了一个接收端实际提高了发射线圈能量的利用率。

图5　两个接收端对传输效率的影响

最后研究了隔磁片对传输效率的影响。隔磁片是一种具有较高导磁性能的磁性片，能高度聚集磁通Φ值，防止磁能量在空气或其他物体上传导发生能量损失[10]，起到隔磁、磁屏蔽、增加电感，从而提高充电效率，降低充电器发热量的作用。实验中采用硬质锰锌铁氧体隔磁片，分别将隔磁片贴附在发射线圈和接收线圈的背面，实验结果如图6所示。

图6　隔磁片对传输效率的影响

从图中可以看出，当接收线圈贴附隔磁片时传输效率最高，其与原系统相比效率提升效果明显。而给发射线圈贴附隔磁片传输效率最低。因此在实际使用时应将隔磁片贴附在接收线圈一面，至于贴附在发射线圈一面传输效率降低，原因尚待研究。

3　讨论

本实验中搭建系统的等效电路模型如图7所示。

图7　系统等效电路模型

其中，VS为等效交流源，C1、C2为谐振电容，L1、L2为线圈电感，R1、R2为线圈内阻，RS为电源内阻，M为两线圈的互感，RL为等效负载电阻，i1、i2为回路电流。由图中电流方向列写KVL方程有：

则系统发射功率、接收功率以及传输效率分别为：

在这里，两线圈之间的互感 M为[13]：

其中μ0为真空磁导率，μn为磁导率，N1、N2为发射与接收线圈匝数，r1、r2为两个线圈的半径，D为发射与接收线圈之间的距离。从上式中可以看出，随着传输距离D逐渐增大，互感M逐渐减小使得耦合系数k也逐渐减小。并且对η关于k求导得：

而对于多接收端的情况，两个接收端时系统的传输效率要高于一个接收端。这主要是因为两个接收端同时工作时，在一定传输距离情况下，接收端所铰链的总磁通比单个接收端工作时要大，更有效地利用了发射端所激发的磁场，所以多接收端同时工作时其总传输效率要比单个接收端工作时大[12]。

接收线圈附加隔磁材料增大了系统的传输效率可由式(8)来解释。当线圈不加隔磁材料时，μn=1；当线圈加隔磁材料时，μn＞1使得互感M增大提高耦合系数k进而调高了系统的传输效率。

4　结论和展望

增强线圈、多接收端、隔磁材料对磁耦合谐振传输影响的研究表明，优化的设计能提高传输的距离和效率。这对于以后设计磁耦合谐振传输与设计应用具有一定的使用价值。

此外，本文目前仅仅研究了磁耦合谐振无线能量传输中小功率、低频的情况。进一步微纳传感器无线供电方面研究可望在高频、中等功率情况下提高传输距离、传输效率以及电能的收集等问题上取得突破。

[1]杜秀.磁谐振耦合无线能量传输机理及实验装置研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[2]GREEN A W，BOYS J T.10 kHz inductively coupled power transfer-concept and control[C].Proceeding of fifth international conference on power electronics and variable-speed drives，1994：694-699.

[3]BOYS J T，COVIC G A，GREEN A W.Stability and control of inductively coupled power transfer systems[J].IEE Proceedings-Electric Power Applications，2000，147(1)：37-43.

[4]汽车电子.AKASOL公司推出感应充电系统[EB/OL]. http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0809/article_7670.html，2013-08-09/2015-09-03.

[5]ANDRE K，ROBERT M.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317(6)：83-86.

[6]RAYMOND J，SEDWICK.Long range inductive power transfer with superconducting oscillators[J].Annals of Physics，2010 (325)：287-299.

[7]董燕.低频小尺寸高效无线电能传输系统研究[J].电子技术应用，2014，40(5)：62-64.

[8]任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[9]董燕.微型传感器无线供电装置的研究[D].合肥：合肥工业大学，2014.

[10]深圳夏特无线充电器隔磁片厂家.无线充电器隔磁片有什么作用?[EB/OL].http://www.wuxianchongdiancicai.com/show-129-161.html,2014-02-10/2015-11-12.

[11]TUCKER C A，WARWICK K，HOLDERBAUM W.A contribution to the wireless transmission of power[J].Electrical Power and Energy Systems，2013(47)：235-242.

[12]毛银花.用于无线传感器网络的磁共振式无线能量传输系统[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[13]MAZLOUMAN S J，MAHANFAR A，KAMINSK A B.Midrange wireless energy transfer using inductive resonance for wireless sensors[J].Computer Design，ICCD.IEEE International Conference on，2009：517-522.

Optimization of magnetically coupled resonant wireless power transmission system

Hu Jinde1，Zhang Xiaoqiang2，Zhang Wei1，3
(1.College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China；2.Nanjing Crown Sensor Technology Co.，Ltd，Nanjing 211100，China；3.College of Chemical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China)

Wireless power recharging has widely application in the electric vehicle and wireless sensor network system.To improve the efficiency of wireless power recharging is the core of wireless energy applications.In order to enhance the transmission efficiency of magnetically coupled resonant wireless power transmission system,we have investigated the effects of enhanced coil(or relay coil),multiple receivers and magnetic shield slice on the efficiency of transmission of system.By optimum design of a system including an enhanced coil,multiple receivers,and adding a magnetic shield slice on the side of the

coil can highly improve the transmission efficiency of magnetically coupled resonant wireless power transmission system.The efficiency of the new and optimized system has a 17%increasing in the efficiency,in comparison with individual original component.

wireless power transmission；enhanced coil；multiple receivers；magnetic shield slice

TM154

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.036

2015-12-26)

胡金德(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：无线能量传输。

章伟(1961-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：高性能传感器在传感网中的应用，E-mail：zhangw@njtech.edu.cn。

中文引用格式：胡金德，张小强，章伟.磁耦合谐振式无线电能传输效率的最优化研究[J].电子技术应用，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.