磁耦合谐振式无线电能传输的关键技术研究

王友情, 张海燕, 齐 亮

1.上海电机学院 电气学院 上海 2013062.上海电气富士电机电气技术有限公司 上海 200070

随着科技的发展,传统有线电能传输方式逐渐体现出一些局限性,而超导技术对条件和材料的要求则比较高[1],相对而言,无线电能传输方式可以弥补上述不足。无线电能传输方式中,磁耦合谐振式无线电能传输功率大,效率高,距离远,优势更加突出。目前,磁耦合谐振式无线电能传输有很多关键技术还有待进一步研究,而这些关键技术的研究则决定了磁耦合谐振式无线电能传输的应用前景。

1 无线电能传输分类

无线电能传输大致可以分为电磁波辐射式、电场耦合式、磁耦合式三种,其中,磁耦合式无线电能传输又可以分为电磁感应式和磁耦合谐振式。

电磁波辐射式无线电能传输主要利用电磁波,如微波、光波、射线等传递能量,典型应用包括民用的微波炉、军事上使用的能量武器[2],以及光伏发电等[3]。电场耦合式无线电能传输原理类似于可分离的电容,但因为传输的功率较小,安全性不高,所以应用并不是很多。电磁感应式无线电能传输的原理是利用电磁感应技术,但是传输的有效距离太短,限制了自身的应用范围。磁耦合谐振式无线电能传输的原理是基于两个相同的谐振线圈,向其中一个线圈通入谐振电流,在空间内产生交变磁场,另一个谐振线圈在这一磁场中,内部也会出现一个同频率的谐振电流,从而实现电能传输。磁耦合谐振式无线电能传输理论最早由美籍克罗地亚裔物理学家Nikola Tesla在1889年提出,此后该技术停滞了100多年。2007年,麻省理工学院Marin Soljacic团队首次实现了对该技术的验证[4],使无线电能传输步入新阶段。在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中,无线能量传输技术被列为十项引领未来的科学技术之一[5]。

2 磁耦合谐振式无线电能传输系统结构

目前,磁耦合谐振式无线电能传输系统主要结构包括两线圈、四线圈、带中继线圈及多线圈等,如图1所示。

图1 磁耦合谐振式无线电能传输系统结构

两线圈结构组成简单,但是线圈参数容易受阻抗变化的影响。四线圈结构通过激励和负载线圈实现谐振线圈与电源、负载的隔离,从而避免阻抗变化对系统的影响。带中继线圈结构可以提升传输的距离和效率。多线圈结构可以实现一个电源向多个负载供电或多个电源向一个负载供电。此外,还有学者研究了其它结构,此处不再介绍。

3 磁耦合谐振式无线电能传输关键技术

近年来,对于磁耦合谐振式无线电能传输的研究已经取得了一些理论成果,但依然有很多关键技术和课题尚未被攻克。笔者就此对磁耦合共振式无线电能传输的主要关键技术进行研究。

3.1 阻抗匹配

系统出现频率分裂情况后,在原谐振点效率较低,而在新出现的两个谐振点上,效率比原谐振点要高。实际上,频率分裂现象是由于阻抗不匹配所导致[8]。对于同一个系统而言,随着传输距离的增大,效率明显降低,通过阻抗匹配可以提高系统的效率[9]。

阻抗的虚部关系到谐振频率,线圈的电感则通常是固定值,因此,调节阻抗虚部的电容是一种常见的阻抗匹配形式。发射端和接收端的阻抗虚部一致时,谐振频率也可达到一致,共振效果达到最佳状态。在这样的情况下,如果改变负载阻抗的实部,使其与电源端阻抗实部相等,则负载可以从电源端获得最大能量[10]。很多学者在阻抗匹配方面做了研究,阻抗匹配不仅体现在磁耦合谐振式无线电能传输中,而且在射频领域、等离子领域等也都是一项关键技术。常见的阻抗匹配网络有π型、τ型[11]及DC-DC型,如图2所示。当然,最直接的调节方式是将谐振电容替换为可调电容来实现阻抗虚部的调节。

π型、τ型主要匹配阻抗的虚部,DC-DC型则是一种常见的实部匹配网络,通过调节占空比,可以改变阻抗的实部等效值。

Req=toffRl/ton

(1)

式中:Req为等效负载电阻的阻值;ton为开关管一个

表1 磁耦合谐振式无线电能传输状态

图2 阻抗匹配网络

周期内导通的时间;toff为开关管一个周期内关断的时间;Rl为实际负载电阻的阻值。

文献[12-13]分别对三种阻抗匹配网络进行了仿真和试验,结果均表明,加入阻抗匹配网络后,系统效率得到了提升。

3.2 频率跟踪

在实际应用中,系统的参数会因为某些特殊原因,如温度与湿度变化、外界磁场干扰等发生变化。由于系统频率很高,因此参数的细微变化将会导致谐振点偏离原来的谐振频率,对系统效率带来很大影响。此时,就需要在逆变器中改变谐振电流的频率,使系统传输效率维持在最佳频率点。

频率跟踪的目的是实现最大效率传输。频率跟踪的算法有很多,其中爬坡法仅仅根据频率调整后输出的变化趋势就能实现频率跟踪,因而成为一种比较常用的方法。如图3所示,系统以得到最大的输出功率y为目的,不断根据输出功率y的大小来调整频率x的变化趋势,这样最终的频率x将会使输出功率y在最大值附近变化,即使谐振频率发生变化,逆变器输出的频率依然能跟踪实际的谐振频率,保持系统工作在最佳状态。

图3 爬坡法频率跟踪原理

3.3 高频逆变器

磁耦合谐振式无线电能传输的谐振频率一般非常高,且功率较大。传统的逆变方式有全桥逆变和半桥逆变[14-15],这两类方式虽然比较成熟,但考虑到高频脉冲宽度调制的控制问题及高频开关器件的成本问题,目前要实现频率达到兆赫级的大功率逆变还比较难。E类逆变器只要一个开关器件就能实现将直流电逆变为高频正弦交流电,而且开关损耗低,电路简单,控制方便,近年来备受青睐,其基本结构如图4所示,理想波形如图5所示。图4、图5中,Vcc为直流电源,L和C分别为谐振电感和电容,RL为负载电阻,Le为扼流电感,Ce为并联电容,Vt为开关器件,Vg为Vt的导通信号,Ie为扼流电感Le上的电流波形,VVt为开关管两端的电压波形,也即并联电容Ce两端的电压,IVt为开关管上流过的电流。理想情况下,开关管在零电压、零电流的情况下开通,在零电压的情况下关断。因此,E类逆变器的理论效率可达100%。同时E类逆变器传输的功率也较大。文献[16]设计了一个输出功率为2 kW,以绝缘栅双极晶体管为开关器件的正弦波输出E类软开关逆变器,获得了97%的效率。文献[17]设计了双E类逆变器,可以使输出的功率提升4倍。此外,还有其它实现高频逆变的方法,如相移控制、包络调制等。

3.4 高频整流

逆变后的高频电压需经过整流环节才能被负载使用,传统的超快恢复二极管恢复时间一般为35～75 ns,在实现十几兆赫的整流时会受到限制,而专用的特殊二极管价格又十分昂贵。目前,新型碳化硅材料的整流器件由于采用新材料和工艺制作,其反向恢复时间几乎为零,而且能够承受的电流和电压也较高,因此成为高频整流环节比较理想的器件。

图4 E类逆变器基本结构

图5 E类逆变器理想波形

3.5 谐振线圈

为了实现更高的传输效率,有很多学者致力于谐振线圈的设计,典型的谐振线圈结构有螺旋密绕型、平面螺旋型、空间螺旋型,如图6所示。

螺旋密绕型谐振线圈结构比较简单,线圈每一圈的直径都达到最大,且几乎相等,所产生的磁通也都达到最大,因而这一类型谐振线圈在效率和距离方面都具有一定优势。但是,这一类型谐振线圈由于每一匝相互叠加,导致体积和占用的空间较大。

平面螺旋型谐振线圈结构稍复杂,每一圈的直径逐渐增大,但由于每一圈都在同一个平面上,因此可以做到非常薄,甚至可以直接用印制电路板绘制,从而大幅减小用电设备的体积。由于线圈每一圈的半径不一致,因此这一类型谐振线圈比较适合位置相对固定的场合。此外,这一类型谐振线圈的参数计算比较复杂。

图6 谐振线圈结构

空间螺旋型谐振线圈结构和弹簧相似,2007年麻省理工学院研究团队采用的就是这一类型谐振线圈。这一类型谐振线圈每一圈之间的距离比较大,占用空间大,对此部分学者在设计中将谐振线圈的分布电容直接等效为谐振电容。这一类型谐振线圈容易发生变形,发生变形后分布电容直接受到影响,进而影响系统的谐振参数。

谐振线圈的寄生电阻主要由趋肤效应、邻近效应、介质损耗和直流电阻四部分组成。很多文献从谐振线圈的阻抗出发对谐振线圈的结构进行了深入研究,如将空间螺旋型谐振线圈的导线做成空心结构,以减少邻近效应造成的损耗;改变平面螺旋型谐振线圈的线径,来改善线圈的品质因数;将线圈做成分段结构,来减少介质损耗等。其中,变线径平面螺旋型谐振线圈和分段式谐振线圈的结构如图7所示。

图7 其它谐振线圈结构

4 建模分析

常见的磁耦合谐振式无线电能传输建模方法有三种:电路理论建模分析法、耦合理论建模分析法、二端口网络建模分析法。笔者以两线圈串联谐振式无线电能传输结构为例,简要介绍三种建模分析法的原理,其它结构均可以由两线圈结构推导得出。

4.1 电路理论建模分析法

电路理论建模分析法基于互感理论实现[18],从等效电路的角度出发,将系统内部的每个元件参数都纳入计算,可以灵活展现系统内部元器件参数对系统性能的影响。

两线圈串联谐振式无线电能传输电路模型如图8所示。

图8 两线圈串联谐振式无线电能传输电路模型

图8中,Ucc为高频谐振电压,Rs为电源内阻,Re和Rr分别为发射线圈和接收线圈的等效电阻,Le和Lr分别为发射线圈和接收线圈的电感,Ce和Cr分别为发射线圈和接收线圈的匹配电容,i1和i2分别为发射线圈和接收线圈电流回路,M为发射线圈和接收线圈的互感,Rl为负载阻抗。两个线圈的参数一致,电路的谐振频率ω0满足:

(2)

根据电路原理,可以得出:

(3)

根据式(3)可以求得i1和i2,进而可以得出电源端输出功率Pcc为:

Pcc=Ucci1

(4)

负载端功率Pl为:

(5)

传输效率ρ为:

ρ=Pl/Pcc×100%

(6)

4.2 耦合理论建模分析法

耦合理论建模分析法从能量角度出发对系统进行分析,得到的结果准确性较高。对于磁耦合谐振式无线电能传输,可以将其发射线圈和接收线圈看作是两个相互微扰的物体,当通过磁场弱谐振来传输能量时,根据物理场的耦合理论可以得到:

(7)

(8)

式中:a1(t)、a2(t)分别为发射线圈和接收线圈时域场简正模振荡幅度;ω1和ω2分别为发射线圈和接收线圈的谐振角频率;Γ1和Γ2分别为发射线圈和接收线圈的损耗系数;K为发射线圈和接收线圈的耦合因数;Γl为负载损耗系数;Fs(t)为电源激励信号。

4.3 二端口网络建模分析法

二端口网络建模分析法将系统视为一个方框,然后将输入和输出端对应的关系用矩阵形式进行表达,同时忽略系统内部的结构。磁耦合谐振式无线电能传输二端口网络模型如图9所示。

图9 磁耦合谐振式无线电能传输二端口网络模型

图9中,U1为输入电压,U2为输出电压,电流I1和I2的正方向均为流入二端口网络的方向,可以得到:

(9)

式中:A11、A12、A21、A22均为系统输入到输出的传递参数。

从表达式来看,二端口网络建模分析法最为简洁,但是这一方法不仅没有反映出系统元件参数对系统的影响,而且没有分析系统的能量传递情况。

5 磁耦合谐振式无线电能传输发展趋势

磁耦合谐振式无线电能传输自2007年被麻省理工学院学者验证以来,一直是国内外研究的热点。国际上,美国、日本等发达国家在这方面的研究起步较早。英特尔西雅图实验室、匹兹堡大学、马里兰大学、威斯康辛大学、东京大学、佩鲁贾大学等在该项技术被验证后不久就进行了大量研究。近年来,国际上越来越多的学者和团队加入到这一技术的研究进程中。

国内的研究虽然没有国外早,但是也取得了一定的理论成果。目前,国内的研究主要集中在高校。华南理工大学张波教授、哈尔工业大学朱春波教授、河北工业大学杨庆新教授、东南大学黄学良教授等带领的团队,多年来一直致力于磁耦合谐振式无线电能传输的研究[19]。其中,华南理工大学张波教授团队提出了频率跟踪控制方法,并采用与 Marin Soljacic团队耦合模型理论不同的电路分析方法,建立了磁耦合谐振式无线电能传输的电路模型[20]。此外,南京航空航天大学陈乾宏、同济大学李云辉、上海交通大学肖思宇、重庆大学祝文姬等研究人员也对磁耦合谐振式无线电能传输进行了大量研究。

根据各类文献研究的情况,目前,磁耦合谐振式无线电能传输的热点和趋势主要体现在提高效率和功率、改善传输距离、集中控制和管理、规范安全机制、异物检测识别、完善理论研究、设计标准化等方面。

6 结束语

对比传统能量传输方式,无线电能传输展现了独特的优势,成为研究热点。当然,无线电能传输目前还处于研发阶段,虽然有少数大型先进企业已经在开发相关应用产品,但是实际应用并不多。笔者对磁耦合谐振式无线电能传输的关键技术进行了研究,这一技术虽然起步不久,但是凭借自身的优越特性必将在未来电能传输领域扮演重要角色。