一种频率跟踪式无线电能传输装置设计

刘 丽，程本善，杨凯宏，郭新兴，郭瑞雪

（1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065；2.陕西科技大学 电气与信息工程学院，

陕西 西安710021）

一种频率跟踪式无线电能传输装置设计

刘 丽1，程本善1，杨凯宏1，郭新兴1，郭瑞雪2

（1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065；2.陕西科技大学 电气与信息工程学院，

陕西 西安710021）

无线电能传输系统的传输距离，是该技术能否具有实用价值的关键因素。为解决传输效率、传输功率随传输距离不断变化，导致总体性能下降的问题，本文提出了一种无线电能传输系统参数在不同距离下的最优参数匹配算法。该算法使系统能够依照特定的控制方式对传输距离进行趋近匹配。在不同传输距离下，算法实时调整系统的工作频率及发射、接收线圈的物理参数，使系统时刻处在相对最优工作点。并进行了基于耦合模理论的Matlab仿真，结果证明该算法能够使系统的参数实时跟踪传输距离，提高了装置的实用价值。

无线电能传输；磁耦合谐振；线圈；驱动电路

感应式无线电能传输技术一般在厘米级别的近距离上能够实现较高的效率，距离增加后，传输效率会迅速下降，不适合进行较远距离的无线电能传输。微波传输能够实现远距离的大功率能量传输，但受其定向传输的局限性，且有一定的安全隐患，导致难以有普遍性的应用。

磁耦合谐振式无线电能传输技术的核心原理是，在两个各项参数相同的装置之间形成近场的磁共振效应，从而将发射部分的能量有效的传输到接收端，且该磁场只在波长范围内的近场进行闭环耦合，磁场不辐射到远处，也不与谐振频率不同的其他物体产生磁场作用与能量交换。根据相关数据，谐振式技术理论上能够在10 M的高频状态下实现4.78 m的中距离无线电能传输[1]。

2006年11月，MIT在2 m的距离上使60 W的灯泡发光。2010年，黄学良等人在1.5 m的距离上实现了300 W的功率传输，传输效率可达80%。由于制作完成的无线电能传输装置的谐振频率已经固定下来，导致其只能在相应的几个谐振频率点也即相应的位置上才能达到最大的传输功率以及系统效率[2]。这使得系统的有效作用范围大大降低。

针对该问题，文中提出了一种新的方法，使得系统的谐振频率可调并能够实时跟踪匹配接收器距发射器的实际距离，使系统实时工作在合理的谐振频率上，从而时刻保持系统的最优传输性能。

1 拓扑结构

1.1 基本原理

系统的组成如图1所示，包含发射与接收两个部分。距离检测模块能够实时检测接收模块与发射模块之间的距离，并将信息发送到发射模块。MCU接收到距离检测模块发来的距离信息后，经过相应算法来改变驱动电路的频率，并通过多路开关来调整发射线圈的物理参数，以此实现频率对距离的追踪，将系统调整到谐振状态，最终令整个系统达到最佳工作状况。

图1 电能无线传输装置结构框图

1.2 驱动电路

谐振式无线能量传输系统的主要能量损耗来自于装置的分布参数，主要包括线圈的电阻，电容的ESR，开关管的损耗，而在高频状态下，管子的损耗更加严重，同时温升还会带来装置其他物理参数的变化，使得系统更难调整到谐振状态。

因此通过使用软开关技术，使得开关损耗大幅下降，从而提升了系统的效率。

1.3 功率因数校正（PFC）

接收部分的电能变换模块在整流滤波的过程中，滤波电容使得输入电流波畸变成为上升沿和下降沿很陡的窄脉冲，这些电流脉冲有效值很高，不但使得系统的效率降低，还产生更多的RFI/EMI问题，进而影响接收部分对发射部分能量的接收效率。因此要在电能变换模块使用功率因数校正技术，对电能变换部分进行功率因数补偿。

1.4 线圈绕法及多路开关

如图2的示意图所示，当MCU接收到距离检测模块传来的信息时，通过算法来控制开关管K1、K2、K3、K4、K5的通断，来调节发射极线圈接入电路中的实际尺寸，从而达到控制线圈电感值的效果。

图2 线圈绕法及多路开关

2 理论分析与计算

2.1 传输功率的频率分裂特性

在实际情况下，负载处于时刻变化的状态，且谐振频率通常会有一定的漂移特性，这会导致负载的功率难以保持最大。

负载功率的一般形式为：

其中χ为失谐因子χ=1-ω/ω0。

当χ=0时，系统工作于自然谐振角频率；

χ＞0时，系统工作频率小于自然谐振角频率；

χ＜0时，系统工作频率大于自然谐振角频率。

由公式（1）可知，为使PL尽可能大，应该从以下几个角度考虑：第一，提高系统工作频率，增大发射端电流，增大系统间耦合系数，增大线圈感量以及品质因数。第二，当系统工作在固定谐振频率处时，则失谐因子为零，因此使失谐因子偏导为零，则有：

由上式可知，耦合系数增大时，会出现3个极值点[3]。系统出现这3个极值点的条件为：

2.2 距离特性

图3为谐振系统的电路模型，将激励线圈和负载线圈的电路分别折算到发射线圈和接收线圈中，得到图4的等效简化电路模型[5]。

图3 谐振系统等效模型

图4 谐振系统简化等效模型

令发射回路与接收回路分别流过等效值为I1、I2的谐振电流，由KVL得：

将我院于2016年1月至2017年2月接诊的66例老年痴呆出院患者作为研究对象,所有患者随机分为观察组、对照组,每组33例。观察组男19例,女14例;年龄68~83岁,平均年龄(75.46±3.23)岁;病程1~11年,;对照组男18例,女15例;年龄70~81岁,平均年龄(75.21±3.43)岁;病程2~9年。比较两组患者的性别、年龄以及病程等一般资料,差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。

将（6）式带入到式（5）中，得到式（7）方程：

对（8）式求导并令导函数为零，可知在ξ1=0和处能够得到电压模值的极值：

则接受线圈的归一化电压为：

当η＞1时，系统的频率出现分裂。随耦合因数的递减，分裂程度也随之递减并最终在固有谐振点处，所有的频点收敛在一起。即在点η=1处时，系统进入临界耦合状态。

当η＞1时，即在过耦合状态时，系统总能在任意谐振频率处达到最大传输效率。

而η＜1时，即在欠耦合状态时，随着耦合因数的降低，系统的传输效率迅速下降。

因此为了实现高效率的传输，应该让系统工作在有效工作区域即临界耦合或者过耦合区域。

在系统工作频率较高时，不计辐射损耗，则谐振线圈的损耗电阻值为：

其中，σ代表线圈电导率，l代表线圈导线总长度，a表示导线线径。

将（10），（11）两个公式式代入耦合因数表达式中，解得系统的有效传输距离D为：

分析可知，谐振系统的有效传输距离的大小由以下参数决定：线圈的半径r、导线线径a、角频率ω、电导率σ。

因此当系统工作在有效工作区域时，让驱动电路的工作频率保持在线圈的固有频率点，当距离逐渐增大时，负载所接收到的工作电压也是先变小后变大。当超过临界耦合点时，负载电压逐渐变小[7]。

因此通过距离检测装置对接收端和发射端的距离进行实时检测，再通过算法来控制接入线圈的电感量以及驱动电路的频率，让系统的工作参数来实时跟踪传输距离的变化。

2.3 负载功率与传输效率

对于整个系统而言，最重要的性能指标除了距离外还有负载的接收功率与系统传输效率[8]。若能使负载的接收功率与系统传输效率在对系统传输距离的追踪下达到综合匹配与整体切合，无疑会使整个系统的性能达到最高。

系统的总功率与有功功率的表达式为：

进一步可得归一化的负载功率α与传输效率η为：

对（17）式取模可得：

分析以上数据可知，当δ≤1时，系统处于欠耦合的状态，在此状态下，若能让系统工作在自然谐振频率处（即ξ=0），负载便能得到最大的功率，而且没有出现频率的分裂现象。而当耦合程度进一步缩减时，系统的负载功率与传输效率会急速下降。

而当系统工作在过耦合状态时，出现频率的分裂现象，负载功率与传输效率会分别在特定的参数上出现3个分裂的极值。但都在固有谐振频率处能够取得最大值。

3 仿真分析与验证

3.1 负载电压随失谐因子和耦合因数的变化情况

如图7所示，可知归一化电压值的大小取决于两个变量：ξ和η，在仿真软件中模拟归一化电压值随这两个变量的变化规律：

1）当η＞1时，即在过耦合区域内，存在着频率分裂的情况，而在该范围内随着的减小，系统频率分裂的程度也逐渐减小，并在系统谐振频率点处收敛为单一频率点。但系统均能在3个分裂的谐振频率[19-20]点处达到最大的负载电压。

2）当η＜1时，即在欠耦合区域内，当耦合因数的值减小时，负载的接收电压值也随之减小。

图5 负载电压随失谐因子和耦合因数的变化情况仿真图

3.2 负载功率随失谐因子和耦合因数的变化情况

1）在δ＞1的过耦合区域内，也存在着频率分裂的情况，在该范围内随耦合程度的增大，系统频率分裂的程度也逐渐增大，但系统的最大负载功率保持恒定。

2）在η＜1的欠耦合区域内，随着耦合程度的减小，系统的负载功率迅速下降。但系统在ξ=0（即系统固有谐振频率）处，有最大的负载功率，频率不分裂。

图6 负载功率随失谐因子和耦合因数的变化情况仿真图

3.3 负载传输效率随失谐因子和耦合因数的变化情况

1）在δ＞1的过耦合区域内，也存在着频率分裂的情况，3个分裂频率处，系统都能达到传输效率峰值，但当ξ=0时，系统的传输效率达到峰值。

2）在η＜1的欠耦合区域内，随着耦合程度的减小，系统的传输效率迅速下降。但系统在ξ=0（即系统固有谐振频率）处，有最大的传输效率，频率不分裂。

4 结束语

由以上分析可知，整个谐振系统想要得到最大的效率和负载功率，必须首先工作在临界耦合或者过耦合状态。但当系统工作在临界耦合状态时，分别都能取得最高的传输效率和最高的负载功率。但问题是，分别取得最大传输效率和最大负载功率时，系统的工作频率并不一致，这就要求在不同的外界环境下，应该充分考虑系统工作的优先因素，在高效率和大功率上有所取舍，实现系统的最优工作。

图7 负载传输效率随失谐因子和耦合因数的变化情况仿真图

[1]李阳，杨庆新，闫卓，等.磁耦合谐振式无线电能传输距离及其影响因素分析 [J].电工技术学报，2013，28（1）：106-112.

[2]李阳，杨庆新，陈海燕，等.磁耦合谐振式无线电能传输的频率特性研究[J].电机与控制学报，2012，16（7）：7-11.

[3]张献，杨庆新，陈海燕，等.电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究[J].中国电机工程学报，2012，32（9）：167-172.

[4]YIN Ning，XU Gui-zhi，YANG Qing-xin，etal. Analysis of wireless energy transmission for implantable device based on coupled magnetic resonance [J].IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（2）：723-726.

[5]张献，杨庆新，陈海燕，等.电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证 [J].中国电机工程学报，2012，32（21）：153-158.

[6]张献，杨庆新，崔玉龙，等.大功率无线电能传输系统能量发射线圈设计、优化与验证 [J].电工技术学报，2013（10）：12-18.

[7]马纪梅，杨庆新，陈海燕.影响无接触供电系统效率的因素分析 [J].电工技术学报，2010，25（7）：19-22.

[8]张自友，杨济豪.磁耦合谐振式无线电能传输的研究 [J].民营科技，2014（11）:57.

[9]侯正文，肖岚.基于磁耦合谐振的无线电能传输系统设计 [J].电气自动化，2015，37（6）：53-56.

[10]黄学良，曹伟杰，周亚龙，等.磁耦合谐振系统中的两种模型对比探究 [J].电工技术学报，2013，28（2）：13-17.

[11]李阳.大功率谐振式无线电能传输方法与实验研究 [D].天津：河北工业大学，2012.

[12]范兴明，莫小勇，张鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状及应用[J].电工技术学报，2013，28（12）：75-82.

[13]彭卫东，宁小波，张熙，等.谐振耦合式无线能量传输效率分析及实验研究 [J].实验科学与技术，2013，11（6）：3-6.

[14]王娜，唐堂，张兆东，等.磁耦合谐振式无线能量传输效率分析 [J].解放军理工大学学报，2015，16（5）：413-417.

[15]李炜昕，王炅，张合，等.基于磁耦合谐振的无线能量传输系统 [J].系统工程与电子技术，2014，36（4）：637-642.

[16]张小壮.磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其实验装置研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[17]吴仕闯.基于磁耦合谐振的无线功率传输的方案研究与电路实现 [D].南昌：南昌大学，2014.

[18]赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展 [J].中国电机工程学报，2013，33（3）：81.

[19]刘斌，黄新波，程文飞，等.新型高压变频串联谐振试验电源逆变器的设计[J].西安工程大学学报，2015（1）：105-109.

[20]李刚，胡旭.无线电能传输中电谐振耦合机理分析[J].电子科技，2016（9）：142-144.

Design of frequency tracking wireless power transmission apparatus

LIU Li1，CHENG Ben-shan1，YANG Kai-hong1，GUO Xin-xing1，GUO Rui-xue2
（1.College of Electronic Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China；2.College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an 710021，China）

The transmission distance of wireless power transmission system is a key factor to the practical value of the design.The transmission efficiency and transmission power with the transmission distance would be constantly changed，resulting in an overall decline in performance.To solve the problem，this paper proposes a wireless power transmission system parameters at different distances under optimal parameters matching algorithm.The algorithm enables the system to make closer watching for transmission distance according to specific control mode.In different transmission distance，the algorithm can adjust real-time frequency of the system and the physical parameters of the receiving and the emission coils，which make the system always in its optimal operating point.And through the Matlab simulation of coupled-mode theory，the results show that the algorithm enables real-time tracking system parameter transmission distance and increases the practical value of the device.

wireless power transmission；magnetically coupled resonance；coil；driving circuit

TN712

A

1674-6236（2017）09-0132-05

2016-04-06稿件编号：201604044

省级大学生创新创业项目（2015107051382）

刘 丽（1976—），女，陕西三原人，硕士，讲师。研究方向：信号与信息处理。