磁耦合谐振无线电能传输效率影响因素的研究
2022-07-08王喜升侯钰慧郭波超崔振宇田子建
王喜升 侯钰慧 郭波超 崔振宇 田子建
(1.中煤信息技术(北京)有限公司 北京市 100029)
(2.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院 北京市 100083)
19世纪90年代初,著名科学家特斯拉进行一系列实验,通过磁感应耦合线圈成功点亮了一盏磷光照明灯。到2006年,MIT的科学家Marin Soljacic利用无线电能传输技术在距离2m处隔空点亮了一盏60W的灯泡,传输效率约为40%,实际意义上实现了无线电能的中程距离传输。从此,国内外无数学者对无线电能传输技术的研究进入了高潮期,该技术作为一种新型的无接触充电方式使用邻域不断增多,已经被广泛应用在电动汽车、植入式医疗设备、消费电子产品、交通运输等各个领域,给人们的生活带来了极大的便捷性和安全性。图1所示为无线电能传输目前应用场合,图1(a)为利用微波辐射理论的空间太阳能发电站,图1(b)为利用磁感应理论的无线充电的电动汽车。
图1:无线电能传输应用实例
目前WPT按着其传输原理的不同主要分为近场传输和远场传输两种。近场传输主要通过磁感应理论、磁谐振理论、电场耦合理论实现;远场传输主要通过微波辐射理论、激光及超声波理论实现,远场传输对频率有较高的要求,且因传输距离较大,传输过程中障碍物的屏蔽作用使得传输效率较低,一般多用在航空事业及军事方面。近场传输中磁感应传输效率较高但传输距离较小,当接受端与发射端距离过大时,造成能量损耗过大。磁耦合谐振式传输机理的无线电能传输系统,具有传输距离远、传输功率和效率较高的优点。因此,本文将在近场传输磁耦合谐振式无线电能传输理论模型下进行研究。
1 磁耦合谐振WPT系统的电容补偿电路模型
磁耦合谐振式WPT系统可通过耦合模理论模型以及电路理论模型进行分析。两种模型在近场耦合时,传输效率、功率等参数具有等效性;但耦合模理论模型计算过程较繁琐,参数也不是电气参数,而在实际应用中一般使用电路理论模型进行分析研究。磁耦合谐振无线电能传输效率影响因素的研究分析如下。
如图2所示为无线电能传输系统的组成结构示意图。原边由整流器、逆变器、补偿网络、发射线圈组成,副边由接收线圈、补偿网络、整流器、负载组成。在无线电能传输系统中,逆变器的作用是为了产生高频逆变电流,使发射线圈产生交变磁场。补偿网络为了使电路达到谐振状态,提高系统的传输功率及效率。整流电路为了使接收线圈接收到的交流变成直流以供给负载使用。图3无线电能传输电路结构图,其工作工程如下:系统原边接入直流电,直流电通过逆变成高频交流电,经过电容补偿后将能量传输至二次侧,经过整流、升降压后为负载供电。在负载端加入升降压电路的是起到稳压的作用。
图2:无线电能传输系统组成
图3:无线电能传输电路结构图
射端及接收端电容电感均并联补偿网络(PP)。经过分析研究,采用发射端及接收端电容电在传输过程中,人们往往会通过采用各种样式的电容补偿网络,提高系统的传输效率。在实际应用中常见的补偿网络有四种。发射端及接收端电容电感串联补偿网络(SS),发射端电容电感串联、接收端电容电感并联补偿网络(SP),发射端电容电感并联、接收端电容电感串联补偿网络(PS),发感串联补偿网络时(SS),无线电能传输系统的传输效率率只与系统频率、线圈间互感、负载阻抗有关,而其他三种补偿网络不仅与系统频率、线圈间互感、负载阻抗有关还与接收端电容、发射线圈电感,计算起来较为麻烦且补偿电容受到较多因素影响。因此本文在研究过程中将采用SS型补偿网络进行研究。
如图4所示为WPT系统的电路简化模型,一次侧由串联补偿电容C,Tx线圈电感L、电阻R组成;二次侧由串联补偿电容C,Rx线圈电感L、电阻R组成以及等效输出负载R组成,M为两线圈间的互感。
图4:等效电路模型
根据KVL定律,可求解得Tx、Rx线圈电流I、I:
电路发生串联谐振时可得:
可得无线电能传输系统的传输功率及效率为:
上式中Us原边电路等效交流电压。
由式(4)、(5)可知当系统参数WPT系统的参数R、R固定不变时,系统的传输功率P与效率η只与Tx线圈和Rx线圈之间的互感M、系统的谐振频率ω及等效输出负载R有关。下文将在参数R、R固定不变时的条件下研究Tx线圈和Rx线圈之间的互感M、系统的谐振频率ω及等效输出负载R与系统传输效率的具体关系,并通过仿真系统传输功率及互感、频率、负载之间关系图像。
2 仿真实验分析
为分析研究互感、谐振频率、等效输出负载对WPT系统传输功率的影响,在ADS中建立如图5所示的电路模型。
图5:ADS仿真电路图
将系统参数设置如P=25W,L=L=0.02mH,C=C= 320pF,并运行此仿真程序。WPT系统频率、耦合系数、负载阻抗与输出功率关系如图6所示。
图6:WPT系统频率、耦合系数、负载阻抗与输出功率关系
将扫描变量设置为频率(从1.5MHz到3.0MHz每0.01MHz进行一个扫描),可得到系统频率与系统传输功率的关系如图6(a)所示,可以看出系统频率在1.9MHz之前及2.1MHz之后系统的传输功率几乎为0,当频率为1.989MHz时传输功率达到最大,也就是s当该电路处于谐振状态时达到最大输出功率,此仿真结果与理论分析在误差范围内基本一致。
WPT系统中接收线圈与发射线圈之间的耦合系数之间的关系,此时将频率设置为2MHz,通过图6(b)可以看出当耦合系数从0变化到0.1时系统的传输效率与耦合系数几乎呈现为一次函数的关系时,传输效率将缓慢减小。
如图6(c)所示为负载阻抗与输出功率的关系图,当负载阻抗逐渐增大时,输出功率先急速增大,输出功率达到最大值后随着负载阻抗的增大输出功率缓慢下降。
建立了如图7所示的实验平台。该实验模型由线圈结构、逆变桥、电气隔离、整流器、升降压模块组成。本次实验主要对WPT系统频率、耦合系数、负载阻抗与输出功率关系进行实验,得到实验结构与仿真结构基本一致。
图7:无线电能传输实验平台
通过上述的实验分析表明无线电能传输系统传输效率与系统频率、发射线圈及拾取线圈间的耦合系数、负载阻抗均有关系。在实际生活过程中,因为负载发生变化,线圈阻抗偏移导致两线圈间互感发生变化使得系统的传输效率降低。针对此问题不同学者提出不同的应对方法。
3 结论
本文建立WPT系统数学模型,推导出系统传输功率及效率与系统参数关系式,得到其关系。然后使用ADS软件对SS型补偿网络磁耦合谐振无线电能传输系统进行仿真,得到WPT系统传输功率与频率、负载、互感之间的关系图,通过以上数学推导及仿真分析得到以下结论。
(1)本文通过ADS仿真实验找到WPT系统输出功率随着频率变化、互感变化、负载变化的关系图。当频率为谐振频率、耦合系数为0.1时时,系统传输功率最大。传输功率随着负载的变化先增加到极值后缓慢减小。
(2)本文通过对频率、耦合系数、负载阻抗与传输功率的关系进行分析,为在无线输电系统实际工程应用中可能会遇到的问题,提供了一定的参考作用。
4 研究方向
目前无线电能传输技术应用在各个领域如:交通运输领域、植入式医疗设备、物联网、智能家居、电子设备等领域。
交通运输主要应用在电动汽车:美国高通公司采用DD线圈,发布供大型车快速充电线圈,充电频率为85kHz,输出功率为3.3kW到7kW。英国米尔顿恩斯市使用8辆长9m的公共汽车。日本羽田设置了2台22kW的地面线圈。中国中兴集团建立2台60kW 充电设备,充电速度为6kW/min,充电4min 可以行驶17km。
电子产品:无线充电手机、手环、耳机等电子产品已经出现在人们的视野范围内。从2018年的小米MIX 2S到2020年的小米10 至尊纪念版,无线充电功率实现了由7.5W到50W的飞跃,实验室中也已经实现了80W的无线充电功率。华为Mate 30系列运用电磁感应原理,具备无线反向充电功能。由于目前的充电效率仍然不够高,如何进一步提高无线传输技术的传输效率,带来更快的充电速度和更低的热损耗,仍然是当前技术研究的方向。
植入式医疗设备:MIT的研究人员最近又发明了一种新方法,可以为被植入人体体内的设备来提供能量和通讯。这些设备可以用于药物输送以及监测人体体内的内部情况,或还可以通过用电或光线疗法对大脑组织等疾病进行治疗。这种植入物是通过无线电波来驱动的,同时这些无线电波可以安全地通过人体组织。
在目前无线电能传输技术的快速发展过程中,仍然面临着许多研究问题等待被解决,将从以下三点对目前面临的问题进行讨论。
(1)电磁兼容问题。电磁兼容问题与能量传输的质量、对系统造成的电磁干扰、对人体造成的影响等方而息息相关,只有有效地解决电磁兼容问题才能保证系统安全、可靠、稳定的运行。可见,如何在最小限度影响系统效率的情况下,高效、可靠地保证系统的电磁兼容性成研究的主要内容。
(2)传输效率问题。因系统频率、充电设备发生偏移、设备环境等问题都将会造成传输效率降低的问题,造成能源的浪费,因此增加系统的稳定性及抗干扰能力,解决系统传输效率低的问题很有必要。
(3)频率分裂问题。磁耦合谐振式无线电能传输系统工作在过耦合状态时,会发生频率分裂,导致系统在原谐振频率处的效率变低。因此抑制频率分裂问题也是目前无线电能传输术的研究重点。