李開春 趙靜媛 高佳慧 王靜
摘要:磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸是一種利用線圈間高頻耦合諧振磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳輸?shù)男屡d技術(shù)。目前該技術(shù)在傳輸距離、效率和功率等方面還不能夠滿足實(shí)用化所提出的要求,仍存在一些問(wèn)題有待于研究。其理論研究主要采用耦合模理論和集中參數(shù)電路模型的分析方法,對(duì)耦合體的動(dòng)態(tài)過(guò)程、系統(tǒng)內(nèi)部能量分布規(guī)律的研究還不夠深入。另外由于工作頻率高于電力電子器件的一般使用頻率,磁耦合線圈的耦合系數(shù)較小并且處于諧振狀態(tài),存在著功率器件難以滿足要求、系統(tǒng)損耗較大、效率較低等問(wèn)題。本文從機(jī)理與模型、諧振線圈組、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)源、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面展開研究,為磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:無(wú)線電能傳輸;磁耦合諧振;多耦合線圈
無(wú)線電能傳輸WPT(wire- less power transfer)技術(shù)可分為磁場(chǎng)耦合、微波輻射、激光發(fā)射、電場(chǎng)耦合和超聲波傳輸?shù)阮愋?,根?jù)離聲源的距離可分為近場(chǎng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合。磁場(chǎng)耦合包括磁耦合電感和磁耦合諧振,與電場(chǎng)耦合屬于近場(chǎng)耦合類型。微波輻射和激光輻射屬于遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。與其他幾種無(wú)線電力傳輸方式相比,超聲波無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)主要利用超聲波作為耦合介質(zhì),通過(guò)發(fā)射/接收換能器的逆壓電效應(yīng)和直接壓電效應(yīng),實(shí)現(xiàn)電能-機(jī)械能-聲能或聲能-機(jī)械能-電能的無(wú)線傳輸電力。電場(chǎng)耦合無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)主要利用電場(chǎng)耦合機(jī)制的交互電場(chǎng)耦合來(lái)進(jìn)行無(wú)線功率傳輸,該技術(shù)具有良好的電磁兼容性,耦合機(jī)制的靈活性高,它主要應(yīng)用于短距離、低傳輸?shù)阮I(lǐng)域。但這種技術(shù)的傳輸功率較小,電場(chǎng)對(duì)人體有很大的危害。目前,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在逆變電路優(yōu)化、耦合機(jī)理補(bǔ)償拓?fù)?、輸出電壓調(diào)節(jié)、能量信號(hào)共享通道傳輸、諧振拓?fù)浜蛡鬏數(shù)确矫嫒〉昧舜罅康难芯砍晒4胖C振式無(wú)線輸電技術(shù)利用具有相同頻率的線圈,經(jīng)磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸,該技術(shù)相對(duì)于電磁感應(yīng)式,傳輸距離遠(yuǎn)。
原理簡(jiǎn)介:
諧振又稱“共振”。振蕩系統(tǒng)在周期性外力作用下,當(dāng)外力作用頻率與系統(tǒng)固有振蕩頻率相同或很接近時(shí),振幅急劇增大的現(xiàn)象。產(chǎn)生諧振時(shí)的頻率稱“諧振頻率”。電工技術(shù)中,振蕩電路的共振現(xiàn)象。電感與電容串聯(lián)電路發(fā)生諧振稱“串聯(lián)諧振”,或“電壓諧振”;兩者并聯(lián)電路發(fā)生諧振稱“并聯(lián)諧振”,或“電流諧振”。為了進(jìn)一步說(shuō)明“諧振”是如何在強(qiáng)磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸中實(shí)現(xiàn)的,下面以該理論的提出者——MIT實(shí)驗(yàn)室所使用的能量傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例,進(jìn)行說(shuō)明。
圖2–1所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的電感耦合無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的示意圖。L1和L2分別為初級(jí)和次級(jí)螺線管線圈。根據(jù)電磁學(xué)理論,當(dāng)L1中流過(guò)交變電流后,其周圍將會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)耦合,L2中將會(huì)感應(yīng)出耦合的交變電流,提供給負(fù)載ZL。
在上述模型中,將線圈L1上單位電流所引起L2中的磁鏈稱為L(zhǎng)1對(duì)L2的互感系數(shù)為 ,對(duì)于相對(duì)靜止的兩個(gè)線圈, ,在系統(tǒng)中,將由初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁力線貫串到次級(jí)線圈中的數(shù)量定義為耦合數(shù)K,其表達(dá)式為 .
耦合系數(shù)K的值總是小于1,其具體大小與線圈的形狀,相對(duì)位置,距離,角度等外部因素有關(guān)。在沒(méi)有磁芯的情況下,電磁感應(yīng)耦合的K值一般隨距離變大而急劇變小,因此系統(tǒng)的能量傳輸效率較低。正是這個(gè)原因,基于諧振原理的強(qiáng)磁耦合方案才被提了出來(lái)。
基于脈沖驅(qū)動(dòng)的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要包含了發(fā)射和接收LC諧振線圈回路、高頻脈沖驅(qū)動(dòng)兩個(gè)模塊,系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖為如圖1所示:當(dāng)MOS管開關(guān)打開,電源高頻脈沖串流注入到發(fā)射器LC諧振線圈回路:當(dāng)MOS開關(guān)是關(guān)閉的,LC諧振發(fā)射回路是暫停的,通過(guò)Rs的電流是零,LC請(qǐng)振發(fā)射回路可以被視視為一個(gè)LC串聯(lián)電路,其等效電路為圖2所示的LC諧振發(fā)射線圈電路
為了便于分析和計(jì)算,當(dāng)MOS管開關(guān)閉合,如圖所示,可等效轉(zhuǎn)化為該系列偶合電路模型如圖,2所示,包括Rs,Rr分別為發(fā)射和接收線圈回路在高頻率下的損失電阻、Ls、Lr分別為各自的自感、Cs、C分別為各自的諧振電容,RL是負(fù)載的電阻,M為發(fā)射與接收線圈回路之間的互感,d為兩個(gè)線圈之間的距離反射阻抗里的反射的電阻會(huì)消耗電路的能量,而反射的電抗則影響諧振線圈本身諧振頻車,當(dāng)兩個(gè)諧振線圈越來(lái)越接近,互感系數(shù)M和電阻值就越來(lái)越大,影響詣?wù)窬€圈也就越來(lái)越明顯。
基于以上理論分析和參數(shù)設(shè)置,為實(shí)現(xiàn)磁耦合諧振式的諧振振式頻率適當(dāng)?shù)囊粋€(gè)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),本文用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證磁耦合諧振式無(wú)線電能傳播系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率的分析是正確的。
結(jié)語(yǔ):
本文提出一種磁耦合諧振系統(tǒng)電路模型,推導(dǎo)出了系統(tǒng)傳輸效率和傳輸功率的表達(dá),得到了最大功率傳輸效率、傳輸條件和表達(dá)式,并進(jìn)一步分析了發(fā)射與接收諧振線圈的相關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸效率和功率的影響。
了理論分析的正確性。
1.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)建模及優(yōu)化分析 史繼翠- 《湘潭大學(xué)》
2.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)功效同步研究,唐治德,楊帆,徐陽(yáng)陽(yáng),- 《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》
遼寧科技學(xué)院大創(chuàng)項(xiàng)目編號(hào):7511118104
(作者單位:遼寧科技學(xué)院)