張劍韜 朱春波 陳清泉
(哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001)
自2007年美國麻省理工學院Soljacic教授及其團隊實現(xiàn)2m外點亮60W燈泡[1],無線能量傳輸技術受到越來越多的關注。無線能量傳輸技術舍棄傳統(tǒng)的線纜傳輸方式,解決了接口插拔所導致的電火花及接口老化等問題,同時更易實現(xiàn)自動化[2]。隨著智能家電的普及,將無線能量傳輸技術應用于現(xiàn)代家庭生活中具有諸多優(yōu)點,如實現(xiàn)家電無尾化使居家生活更加整潔;避免插拔線纜所引起觸電及火花危險;以及實現(xiàn)智能家電自動化操作。
本文應用磁耦合諧振技術[3-5],能量發(fā)射端采用平板磁心結構,提高了系統(tǒng)整體耦合系數(shù),降低了系統(tǒng)工作頻率,同時具有磁屏蔽作用,減少了無線裝置對周圍其他電子產(chǎn)品的影響。而安裝于家電產(chǎn)品中的能量接收線圈,采用無磁心線圈結構,不僅減小了系統(tǒng)體積和重量,同時提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。針對家電無線供能過程中存在發(fā)射裝置與接收裝置不對稱的問題,本文采用能量發(fā)射裝置大、接收裝置小的新型系統(tǒng),不僅解決了空間錯位問題,同時保證了系統(tǒng)的充電效率。
本文設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示,其中電源部分采用直流電源(0~400V可調),逆變器采用高頻H橋式逆變電路,能量發(fā)射端包括平板磁心、諧振線圈和諧振電容,能量接收端包括諧振線圈和諧振電容,負載為普通家用電飯煲的加熱盤。
圖1 無尾家電系統(tǒng)框圖Fig.1 The system diagram of a tail-free household appliance
本系統(tǒng)中能量發(fā)射端和能量接收端之間距離可調,針對三段不同距離進行了實驗研究,且針對接收端線圈錯位問題進行相關實驗。實驗系統(tǒng)采用定頻控制方式,針對60mm系統(tǒng)進行諧振參數(shù)設計。
本文采用串聯(lián)-并聯(lián)諧振電路結構,如圖 2所示。圖中,U1為電壓源;L1、C1為能量發(fā)射端諧振電感及諧振電容;r1為能量發(fā)射線圈內阻;L2、C2為能量接收端諧振電感及諧振電容;r2為能量接收線圈內阻;Rl為系統(tǒng)負載。根據(jù)系統(tǒng)模型,列寫系統(tǒng)KVL方程[6,7]如下:
圖2 系統(tǒng)耦合諧振電路圖Fig.2 The circuit diagram of a coupling resonant system
根據(jù)系統(tǒng)電路,列寫電流方程如下:
由式(2),獲得電壓方程如下:
根據(jù)式(2)和式(3),可解得二次側電路耦合至一次側電路的等效負載Req為
耦合系數(shù)公式為
由于系統(tǒng)線圈采用Litz線,即多股李茲線,線徑內阻非常小,r2→0,可忽略。式(6)簡化為
若式(7)中僅Rl變化,即系統(tǒng)其他參量不變,負載變化,隨著負載Rl阻值增加,系統(tǒng)等效負載Rtol也隨之增加??筛鶕?jù)該結論合理選擇系統(tǒng)負載,進行參數(shù)匹配。
針對系統(tǒng)結構進行三維空間電磁場仿真,建立模型如圖3所示。其中圖3a表示在傳輸距離60mm處能量發(fā)射線圈無磁心情況下,系統(tǒng)接收線圈水平側移時空間耦合系數(shù)變化曲線;而圖3b表示當發(fā)射線圈表面下安裝平板磁心情況,系統(tǒng)接收線圈水平側移時空間耦合系數(shù)變化曲線。
圖3 有無平板磁心對系統(tǒng)耦合系數(shù)影響對比Fig.3 The comparison result of different coupling coefficients with or without a plane-shaped core
由仿真結果得出,系統(tǒng)有平板磁心情況中心點耦合系數(shù)(約0.14)明顯高于無磁心情況(約0.02),耦合系數(shù)提高可降低系統(tǒng)工作頻率,減少開關損耗,提高系統(tǒng)工作效率;同時,可降低系統(tǒng)對周圍電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾,加入平板磁心對系統(tǒng)磁屏蔽也起到一定作用。
為驗證本文系統(tǒng)設計方法,搭建了無尾家電實驗平臺,平臺主要包括直流電源、系統(tǒng)控制器、高頻逆變器、能量發(fā)射線圈、能量接收線圈、阻性負載等。其中,直流電源電壓調節(jié)范圍為 0~400V;系統(tǒng)控制器,可實現(xiàn) PWM輸出;能量發(fā)射線圈表面下鋪有平板磁心。
如圖4所示,能量發(fā)射線圈與能量接收線圈垂直高度可調,本文在60mm、100mm、150mm三種垂直距離下進行了實驗。能量接收線圈側移范圍為0~150mm,即接收線圈可在發(fā)射線圈表面隨意移動。同時系統(tǒng)負載采用電飯煲的發(fā)熱盤,并為阻值固定的阻性負載。系統(tǒng)采用定頻工作方式,設計參數(shù)時以 60mm諧振參數(shù)為基準,系統(tǒng)工作頻率為57.5kHz。
圖4 實驗裝置圖Fig.4 The device for experiments
通過實驗,得到三種垂直距離下、不同側移的耦合系數(shù)分布曲線如圖5所示,曲線與仿真結果一致:
(1)當接收線圈與發(fā)射線圈中心對稱時,三種距離情況下的耦合系數(shù)均達到最大值。
(2)垂直距離60~100mm之間,水平側移在100mm范圍內時耦合系數(shù)基本不變,水平側移大于100cm后呈下降趨勢。
(3)垂直距離150mm時,隨著水平側移增加,耦合系數(shù)呈線性下降。
圖5 系統(tǒng)耦合系數(shù)曲線Fig.5 Curves of coupling coefficient
由此可知,在一定垂直距離內,由于接收線圈小于發(fā)射線圈,在一定側移范圍內,負載不變情況下,耦合系數(shù)基本不變,即系統(tǒng)等效負載不發(fā)生改變,系統(tǒng)諧振頻率不變,系統(tǒng)魯棒特性好。
如表所示,系統(tǒng)工作頻率為 57.5kHz,當系統(tǒng)直流電源輸入308V時,垂直距離為60mm,系統(tǒng)耦合系數(shù)0.157,其中系統(tǒng)加熱盤負載為70Ω,發(fā)射線圈采用矩形結構,接收線圈為圓盤形結構。
本系統(tǒng)實驗平臺主要針對三個垂直距離進行實驗研究,其中系統(tǒng)工作頻率恒定為 57.5kHz,負載恒定為70Ω。隨直流輸入電源電壓升高,系統(tǒng)中心點及橫軸側移50mm、100mm情況下系統(tǒng)輸出功率變化曲線和系統(tǒng)效率變化曲線如圖6所示。
表 系統(tǒng)平臺設計參數(shù)Tab. Parameters for the systtem platform
圖6 系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Curves of data based on the experiments
由圖6a可知,根據(jù)圖4所示耦合系數(shù)曲線,垂直距離為 60mm,側移距離在-100~100mm之間時,系統(tǒng)耦合系數(shù)基本不變,即系統(tǒng)等效負載不變,系統(tǒng)諧振頻率不變;相同電壓下,系統(tǒng)輸出功率恒定不變,系統(tǒng)效率不變;當系統(tǒng)升壓到300V時,系統(tǒng)輸出700W,系統(tǒng)傳輸效率約為80%。
由圖6b可知,根據(jù)圖4所示耦合系數(shù)曲線,垂直距離內為100mm,側移距離在-50~50mm之間時,系統(tǒng)耦合系數(shù)基本不變;側移距離達到100mm時,耦合系數(shù)略有下降。實驗曲線表明在相同頻率、相同負載情況下,側移距離在一定范圍內時,輸出功率基本相同,輸出效率略有下降;側移距離變大后導致系統(tǒng)耦合系數(shù)下降,系統(tǒng)等效負載減小,系統(tǒng)輸出功率降低。
本文針對無線供能的無尾家電實現(xiàn)問題,設計了一種基于平板磁心磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng),建立了系統(tǒng)數(shù)學模型,分析了耦合系數(shù)與等效負載之間的關系。針對系統(tǒng)有無平板磁心結構對系統(tǒng)耦合系數(shù)的影響進行了三維電磁場仿真分析比較,并通過實驗平臺驗證了理論分析與仿真結果,能量接收線圈可在一定范圍內保持恒功率、恒效率輸出,具有強魯棒特性。在60mm、100mm、150mm三種垂直距離下,對系統(tǒng)輸出功率及效率進行分析對比,系統(tǒng)輸出功率可達700W,系統(tǒng)傳輸效率可達 80%。結合理論分析及實驗結果,得到以下結論:
(1)采用平板磁心結構系統(tǒng),當垂直距離在一定范圍內且側移距離在一定范圍內時,系統(tǒng)耦合系數(shù)保持不變,固定系統(tǒng)工作頻率可保持系統(tǒng)輸出功率及效率恒定。
(2)采用發(fā)射線圈與接收線圈尺寸不一致的結構可提高系統(tǒng)魯棒性,在保證輸出功率及輸出效率的同時實現(xiàn)了大面積無線能量傳輸。
[1]Karalis A, Joannopoulos J D, Soljacic M. Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer[J].Annals of Physics, 2008, 323(1): 34-48.
[2]Low Z N, Chinga R A, Tseng R, et al. Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(5): 1802-1812.
[3]翟淵, 孫躍, 戴欣, 等. 磁共振模式無線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J]. 中國電機工程學報, 2012,32(12): 155-160.
Zhai Yuan, Sun Yue, Dai Xin, et al. Modeling and analysis of magnetic resonance wireless power transmission systems[J]. Proceedings of the CSEE,2012, 32(12): 155-160.
[4]Hamam R E, Karalis A, Joannopoulos J, et al.Efficient weakly-radiative wireless energy transfer:An EIT-like approach[J]. Annals of Physics, 2009,324(8): 1783-1795.
[5]Nagatsuka Y, Ehara N, Kaneko Y, et al. Compact contactless power transfer system for electric vehicles[C]. The 2010 International Power Electronics Conference, 2010: 807-813.
[6]黃學良,吉青晶,譚琳琳,等. 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)串并式模型研究[J]. 電工技術學報,2013, 28(3): 171-176.
Huang Xueliang, Ji Qingjing, Tan Linlin, et al. Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(3): 171-176.
[7]朱春波,于春來,毛銀花,等. 磁共振無線能量傳輸系統(tǒng)損耗分析[J]. 電工技術學報,2012, 27(4):13-17.
Zhu Chunbo, Yu Chunlai, Mao Yinhua, et al. Analysis of the loss of magnetic resonant wireless power transfer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(4): 13-17.
[8]李陽,楊慶新,閆卓,等. 無線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J]. 電工技術學報,2013, 28(1):106- 112.
Li Yang, Yang Qingxin, Yan Zhuo, et al. Analysis on effective range of wireless power transfer and its impact factors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(1): 106-112.