余 威，徐曉英

(武漢理工大學(xué)，信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

基于平面微帶線圈無線電力傳輸效率研究

余 威，徐曉英

(武漢理工大學(xué)，信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)主要是由諧振頻率相同的發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成，在近距離范圍內(nèi)，當(dāng)工作頻率等于發(fā)射和接收線圈的諧振頻率，線圈之間通過磁場耦合諧振的作用完成能量的傳輸，是電力傳輸領(lǐng)域的一個(gè)全新的技術(shù)方向。在本文中，磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)由印制在兩塊FR-4基板上的微帶線圈組成，且諧振頻率為13.56 MHz的微帶線圈分別印制在每塊基板的兩面。根據(jù)FITD（Finite-Integral Time-Domain）算法對(duì)磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真與分析，在13.56 MHZ的頻率下，磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率最大可達(dá)到64%。在構(gòu)建無線能量傳輸平臺(tái)后，通過實(shí)驗(yàn)測得傳輸效率可以達(dá)到54%。

無線能量傳輸；磁耦合；微帶線圈；13.56 MHZ

0 引言

近年來科技發(fā)展的無線通信、無線終端、射頻識(shí)別等技術(shù)[1-3]，促使國內(nèi)外的專家學(xué)者想通過無線的方式進(jìn)行電能的傳遞，以達(dá)到無線代替有線的供電方式[4-6]。這種不需要導(dǎo)體互相接觸并且在空間直接進(jìn)行能量傳輸?shù)姆绞奖欢x為無線電力傳輸。無線電力傳輸主要利用電磁場耦合技術(shù)，以電場，磁場為載體進(jìn)行能量傳輸，實(shí)現(xiàn)能量從發(fā)送端的傳輸?shù)浇邮斩说囊环N有效輸送方式。無線能量傳輸這一技術(shù)在家電設(shè)備，汽車，醫(yī)療以及軍事等方面有著巨大的應(yīng)用前景，該技術(shù)不僅能夠提高設(shè)備用電的安全性和便攜性，還能夠讓使用者體驗(yàn)新型的用電方式，隨著科技的不斷發(fā)展，無線能量傳輸技術(shù)在電子設(shè)備的應(yīng)用會(huì)越來越高。而近年來磁耦合諧振式無線電力傳輸技術(shù)是電力傳輸領(lǐng)域的一個(gè)全新技術(shù)方向，相比傳統(tǒng)的輸電方式，無線電力傳輸在供電方面更加安全和便捷[7-8]。無線電力傳輸技術(shù)從能量傳輸原理可以分為電磁輻射式[9]、電磁感應(yīng)耦合式[10]、磁耦合諧振式[11]三種方式。其中磁耦合諧振無線電力傳輸技術(shù)因?yàn)閭鬏斝矢撸瑐鬏斁嚯x遠(yuǎn)等特點(diǎn)被得到重點(diǎn)關(guān)注。

為了設(shè)計(jì)無線電力傳輸系統(tǒng)兼容電子移動(dòng)設(shè)備的PCB結(jié)構(gòu)，本文提出了工作頻率在13.56 MHz下，使用平面微帶線圈的無線電力傳輸系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)無線電力傳輸系統(tǒng)由兩塊結(jié)構(gòu)相同得PCB構(gòu)成，其中基板的兩面分別印制諧振頻率為13.56 MHz的諧振線圈。最后在13.56 MHZ的頻率下，在對(duì)微帶線圈進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分[12]，并通過電磁軟件仿真分析得到本文設(shè)計(jì)的磁耦合諧振無電力傳輸系統(tǒng)傳輸效率為60%。在構(gòu)建平面微帶線圈的無線電力傳輸系統(tǒng)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)測量無線電力傳輸系統(tǒng)所得的傳輸效率為54%。

1 無線電力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿真數(shù)據(jù)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的無線能量傳輸結(jié)構(gòu)由兩組諧振頻率相近的微帶線圈構(gòu)成，其中源線圈和發(fā)射線圈為一組，接收線圈和負(fù)載線圈為一組。其中兩組線圈結(jié)構(gòu)相同且印制在兩塊一樣的PCB板上，在系統(tǒng)進(jìn)行傳輸時(shí)兩塊PCB板相對(duì)而立，線圈結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線圈和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of coils and system

從圖1中我們可以得到線圈的基本結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，源線圈（負(fù)載線圈）和發(fā)送線圈（接收線圈）分別印制在PCB的頂層和底層，同時(shí)PCB是由250 mm*250 mm，厚度為2 mm的FR-4基板組成。并且為了使源線圈和負(fù)載線圈的諧振頻率為13.56 MHz，我們?cè)诰€圈上面都添加了425 pF的諧振電容通過電磁仿真軟件中本征模求解方式可以得出線圈的諧振參數(shù)，其中源線圈和負(fù)載線圈由線寬5 mm，內(nèi)徑60 mm的正方形圓環(huán)。發(fā)射線圈和接收線圈由線寬5 mm，線距2.5 mm，內(nèi)徑外徑分別為75 mm，125 mm的7圈螺旋微帶線構(gòu)成。其中微帶線的厚度為0.035 mm，表1給出各個(gè)線圈的諧振參數(shù)。

表1 線圈的諧振參數(shù)Tab.1 resonance parameters of the coils and loops

1.2 仿真數(shù)據(jù)

通過上面的結(jié)構(gòu)參數(shù)在CST軟件中建立無線電力傳輸模型，在源線圈和負(fù)載線圈的輸入端口和輸出端口阻抗設(shè)置為50 Ω，發(fā)射線圈和接收線圈的距離設(shè)置為d23，其中d23的距離范圍為100 mm至300 mm，設(shè)置好求解條件后，可以求解得到20組數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理得到無線電力傳輸系統(tǒng)的傳輸效率隨著距離d23的變化如下圖所示，

圖2中橫坐標(biāo)為發(fā)射線圈和接收線圈的距離，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)傳輸效率，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率在13.56 MHz的時(shí)候，線圈之間處于諧振狀態(tài)，此時(shí)能量傳輸?shù)男蔬_(dá)到最大。根據(jù)仿真結(jié)果可以得到線圈舉例210 mm時(shí)系統(tǒng)的最大傳輸效率為64%，其中能量傳輸效率達(dá)到50%以上的范圍在150 mm至270 mm內(nèi)。

同時(shí)我們根據(jù)軟件仿真的結(jié)果查看端口1和端口2的功率和阻抗數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理得到端口1和端口2的功率隨距離變化的曲線和Z參數(shù)隨距離的變化曲線如下圖所示，其中圖（a）中紅色虛線代表的是信號(hào)輸入的功率0.5 W，圖（b）紅色虛線代表的是信號(hào)的輸入阻抗50 Ω。

圖3和圖4的橫坐標(biāo)均為線圈之間的距離，縱坐標(biāo)分別為功率和Z參數(shù)從圖中我們可以看到隨著距離的增加Z11和Z12的值隨著距離的增加逐漸增大，且隨著距離的變化，當(dāng)Z11的值越接近50 Ω的時(shí)候，能量進(jìn)入端口1的功率越接近0.5 W。當(dāng)Z12的值越接近50 Ω的時(shí)候，端口2接收的功率達(dá)到最大值。根據(jù)數(shù)據(jù)分析我們可以得出結(jié)論，Z11的值是否匹配決定了能量進(jìn)入端口1的功率大小，Z12的值是否匹配決定了能量從端口1傳輸?shù)蕉丝?的功率大小。綜上所述，我們可以知道系統(tǒng)端口的阻抗匹配是制約系統(tǒng)傳輸效率大小的重要因素。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述線圈構(gòu)成的無線電力傳輸系統(tǒng)仿真結(jié)果，我們制作了兩塊PCB板微帶線圈，包括驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)送線圈、接收線圈、負(fù)載線圈，其中驅(qū)動(dòng)線圈在頂層，發(fā)送線圈在底層，類似的負(fù)載線圈和接收線圈也分別印制在上下兩層。線寬為5 mm，其中發(fā)送線圈和接收線圈的內(nèi)徑外徑分別為75 mm和125 mm，線距為2.5 mm。如圖5所示，在驅(qū)動(dòng)線圈和負(fù)載線圈上面焊接諧振電容和SMA轉(zhuǎn)接頭，然后使用網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所使用的網(wǎng)絡(luò)分析儀的型號(hào)是AV3656B。

圖3 功率隨距離變化Fig.3 The power varies with distance

圖4 Z參數(shù)隨距離變化Fig.4 The Z parameter varies with distance

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experiment platform

在測試之前對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，首先進(jìn)行反射校準(zhǔn)，在端口1端口2處分別連接轉(zhuǎn)接電纜，在電纜處接陰頭開路校準(zhǔn)件，在操作面板上點(diǎn)擊開路器校準(zhǔn)，采用同樣的步驟在端口1的電纜處換接陰頭短路校準(zhǔn)件和陰頭負(fù)載校準(zhǔn)件分別完成校準(zhǔn)，類似的，端口2也是完成以上操作對(duì)端口2進(jìn)行校準(zhǔn)。接下來進(jìn)行傳輸校準(zhǔn)，在端口1端口2線纜處接上雙陰轉(zhuǎn)接頭，進(jìn)行傳輸校準(zhǔn)。

再對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀完成校對(duì)后，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，保持線圈的位置垂直于水平面，固定線圈之間的距離進(jìn)行測量，線圈之間的距離固定范圍為100 mm至300 mm，步徑為10 mm。通過測量得到20組傳輸效率的數(shù)據(jù)結(jié)果，通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理和與仿真曲線進(jìn)行對(duì)比，我們可以得到無線電力傳輸系統(tǒng)傳輸效率曲線，比較仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線如圖6所示。

圖6 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of simulation and experimental data

從圖中可以看出，由微帶線圈構(gòu)成的無線電力傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行效率測量得到的傳輸效率最大只有56%，略低于仿真得到的數(shù)據(jù)。考慮到實(shí)驗(yàn)中的電磁環(huán)境對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響，實(shí)驗(yàn)測量的傳輸效率大小和仿真所得到的結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論

本文提出了由諧振頻率為13.56 MHz附近的微帶線圈構(gòu)成無線電力傳輸系統(tǒng)，通過CST仿真軟件進(jìn)行求解，得到無線電力傳輸系統(tǒng)在磁共振狀態(tài)下能量傳輸效率的結(jié)果。通過分析端口1的阻抗Z參數(shù)與信號(hào)輸入端口的阻抗匹配和端口1和端口2的功率變化，我們得到系統(tǒng)端口的阻抗匹配是制約系統(tǒng)傳輸效率大小的重要因素。最后通過構(gòu)建無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過測量系統(tǒng)的傳輸效率的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析得到實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本吻合。

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Research on Wireless Power Transmission Efficiency Composed by Planar Microstrip Coil

YU Wei, XU Xiao-ying
(School of Information Engineering, Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070, China)

Magnetic-coupling resonant wireless power transmission technology is mainly composed of the transmitter coil and receiver coil with the same resonant frequency, in the near range, when the operating frequency is equal to resonant frequency of the transmission and receiving coil, the coil make power transmission through the magnetic field coupling, what is a new technology direction in the power transmission field. In this paper, the magnetic-coupled resonant wireless power transmission system consists of microstrip coils printed in FR-4, and microstrip coil with 13.56 MHz is printed on the top and bottom layers of the substrate. According to the FITD (Finite-Integral Time-Domain) algorithm, the magnetic coupling resonant wireless power transmission system is simulated and analyzed. At the 13.56 MHZ, the transmission efficiency of the magnetic-coupled resonant wireless power transmission system can reach 64%. In the construction of wireless power transmission platform, experimental measurement of transmission efficiency can reach 54%.

Wireless power transmission; Magnetic-coupling resonant; Microstrip coil; 13.56 MHz

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.05.019

余威(1991-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線電力傳輸。

徐曉英，教授，博士，主要研究方向?yàn)殪o電放電，電磁兼容。

本文著錄格式：余威，徐曉英. 基于平面微帶線圈無線電力傳輸效率研究[J]. 軟件，2017，38（5）：89-92