關(guān)于兩線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)男史治?/h1>
2018-09-25 05:52:32謝端
電子測試 2018年16期
謝端
（新疆機場（集團）有限責任公司烏魯木齊分公司，新疆烏魯木齊，830016）
1 螺旋線圈兩種工作方式
螺旋線圈的具體饋電點，直接對線圈的不同工作方式造成決定性影響：饋電點所在位置處于線圈中間，即終端開路；饋電點所在位置處于線圈兩導線端子上，即終端短路。通過取 30cm的 D（線圈直徑）、2mm的 a（導線半徑）、8N（匝數(shù)）、12cmh（高度）、σ =5.8×107S/m的導電率，經(jīng)過借助FEKO仿真軟件計算，最終得出螺旋線圈的不同饋電方式相應(yīng)輸入阻抗數(shù)值，具體仿真結(jié)果如圖1所示。
圖1 仿真結(jié)果
在頻率控制為5~15MHz情況下，處于終端開路狀態(tài)，線圈f=13.58MHz會出現(xiàn)自諧振，此種情況下線圈的電阻抗數(shù)值=0，即等效串聯(lián)諧振；處于終端短路狀態(tài)，線圈f=13.39MHz會出現(xiàn)自諧振，此種情況下線圈的電阻抗數(shù)值=∞，即等效并聯(lián)諧振。根據(jù)傳輸線理論出現(xiàn)終端開路轉(zhuǎn)變?yōu)榻K端短路情況下，傳輸線的具體工作狀態(tài)，由原本的串聯(lián)諧振逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒙?lián)諧振，實現(xiàn)了兩者之間的頻率等同，但是基于不同的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間所實現(xiàn)的諧振頻率差值僅僅在0.19MHz，因此可以將螺旋線圈等效理想的傳輸線，必然需要考慮誤差情況，通過考慮線圈等效電阻此種情況下的等效電路如圖2所示。
圖2 集總等效電路
2 構(gòu)建系統(tǒng)模型及理論分析
2.1 系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu)及等效電路
螺旋線圈處于終端短路的串電容系統(tǒng)中相應(yīng)的傳輸結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括了發(fā)射線圈、外界電容、高頻電源、接收線圈以及純電阻負載。通過依據(jù)該示意圖可以得出等效電路圖（如圖3所示）。圖中設(shè)定高頻電源電壓為Ui；發(fā)射、接收線圈的電感數(shù)值為L1及L2；高頻電源內(nèi)阻設(shè)定為Rs；發(fā)射、接收線圈的分布電容為C1及C2；發(fā)射、接收線圈的外接電容為Cex1、Cex2；高頻下線圈的等效電阻設(shè)定為Rr，主要包括了輻射損耗、歐姆損耗兩種電阻；傳輸系統(tǒng)負載設(shè)定為RL；兩線圈之間的互感設(shè)定為M。
圖3 傳輸系統(tǒng)等效電路
2.2 系統(tǒng)輸出功率及傳輸效率計算
通過根據(jù)系統(tǒng)等效電路理論，KVL方程式的列寫如下：
由公式（1）可以得出如下公式：
根據(jù)公式（2）可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的輸出功率及負載類接收功率主要如下：
根據(jù)公式（3）可以得出該系統(tǒng)的整體傳輸效率公式為：η= p0/p1，當兩線圈諧振情況下，則得出Im[Z11]=Im[Z22]=0。
針對兩個線圈處于諧振情況下，通過將公式（2）以及公式（3），代入至η = p0/p1中，系統(tǒng)的輸出效率公式如下：
2.3 優(yōu)化參數(shù)
（1）通過基于兩線圈終端短路串電容磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，確保了電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率及傳輸功率最大化，通過針對不同主體對傳輸效率所造成的主要影響加以分析，確保能夠達到兩線圈磁耦合諧振式傳輸功率參數(shù)優(yōu)化。
針對系統(tǒng)的輸出功率，確保線圈諧振頻率、輸出電壓幅值、負載均未改變情況下，通過逐步加大兩線圈之間的距離數(shù)值，此種情況下互感數(shù)值呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。在初始階段兩線圈之間存在距離數(shù)值較小，ω作為兆赫茲級，因此將公式（4）簡化為∶
根據(jù)如上公式可知，隨著兩線圈之間的距離變化，M值呈負相關(guān)，其他參數(shù)值均并未改變。而如果持續(xù)增加兩線圈的距離數(shù)值，則使得（Mω）2與（Rr+ARL）（Rr+ARs）之間起到共同作用，存在了最優(yōu)化的互感數(shù)值。
針對系統(tǒng)的傳輸效率，同樣針對系統(tǒng)的輸出功率，確保線圈諧振頻率、輸出電壓幅值、負載均未改變情況下，逐步增加兩線圈之間的距離，此種情況下會發(fā)現(xiàn)互感數(shù)值呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。在初始階段兩線圈之間存在距離數(shù)值較小，ω作為兆赫茲級，因此（Mω）2≥（Rr+ARL）（Rr+ARs），此種情況下可以將（Rr+ARL）（Rr+ARs）項忽略，即簡化公式（5）最終得出 ：
根據(jù)如上優(yōu)化所得的公式（6）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過簡化之后得出的傳輸效率作為始終固定的數(shù)值，要想使得LRA≥Rτ，則傳輸效率并未發(fā)生改變，且傳輸效率數(shù)值在100%左右。而如果持續(xù)增加兩線圈的距離數(shù)值，則使得（Mω）2與（Rr+ARL）（Rr+ARs）之間起到共同作用。如果再次增加兩線圈之間的距離數(shù)值，則會出現(xiàn)降低傳輸效率的情況。由此可見該系統(tǒng)的傳輸效率，并未存在最優(yōu)化的互感數(shù)值。但是可以對此發(fā)現(xiàn)，傳輸效率的下降幅度相對較小，一旦對兩線圈的中距離范圍有所超出，即導致傳輸效率逐步發(fā)生下降。與此同時諧振頻率的提升，更是增強了兩大線圈之間的互感，對小線圈內(nèi)部的阻值有所減少，作為確保系統(tǒng)傳輸效率的關(guān)鍵舉措。
3 實證分析
為了對上述相關(guān)分析是否正確加以驗證，本次研究通過制作基于螺旋線圈的終端短路串電容磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，設(shè)置該系統(tǒng)的諧振頻率在4.25MHz，驗證該系統(tǒng)的電能傳輸效率。在本次實驗過程中，由功率放大器以及信號發(fā)生器有關(guān)元器件，實現(xiàn)了高頻電源，使用WK6500B測得主要電氣參數(shù)。發(fā)射線圈及接收線圈的主要參數(shù)值如下：
L1=23.68Hμ，C1=6.2pF,Cexl=50pF，Rr=0.415?；L2=24.15Hμ，C2=5.8pF,Cex2=50pF，Rr=0.397?；
在實驗過程中的裝備主要由高頻電源發(fā)射至線圈上，經(jīng)過磁耦合諧振完成線圈能量接收，供接收線圈的負載運用。在該設(shè)備中的發(fā)射、接收線圈D30cm、8N、h12cm，采用紫銅為導線材料，σ=5.8×107S/m的導電率。為了驗證電能傳輸效率的數(shù)值最大化，及輸出功率最大化之間的變化準確性趨勢，通過不斷改變兩線圈之間的距離，同時確保系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)。通過使用開路電壓法測壓感，對兩線圈存在的互感數(shù)值加以測量，后得出互感數(shù)值如表1所示。
表1 兩線圈不同距離互感值
由上部分公式（5）可得系統(tǒng)的傳輸效率及輸出功率之間的理論數(shù)值，通過繪制驗證所得的系統(tǒng)傳輸效率及輸出功率，及理論所得的傳輸效率及輸出功率相符程度。
由此可見終端短路串電容磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，輸出功率存在了最優(yōu)胡感知，傳輸效率會隨著兩線圈之間的距離而呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，但是在超出最優(yōu)互感值之后，則會出現(xiàn)蓄奴下降情況。針對該模型系統(tǒng)來講，應(yīng)當提升兩線圈的諧振頻率，從而隨之提高了兩線圈的互感值最優(yōu)化，更有效減少了兩線圈內(nèi)部形成的內(nèi)阻數(shù)值，有效提升系統(tǒng)的傳輸效率及輸出功率。
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圖1 仿真結(jié)果
在頻率控制為5~15MHz情況下，處于終端開路狀態(tài)，線圈f=13.58MHz會出現(xiàn)自諧振，此種情況下線圈的電阻抗數(shù)值=0，即等效串聯(lián)諧振；處于終端短路狀態(tài)，線圈f=13.39MHz會出現(xiàn)自諧振，此種情況下線圈的電阻抗數(shù)值=∞，即等效并聯(lián)諧振。根據(jù)傳輸線理論出現(xiàn)終端開路轉(zhuǎn)變?yōu)榻K端短路情況下，傳輸線的具體工作狀態(tài)，由原本的串聯(lián)諧振逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒙?lián)諧振，實現(xiàn)了兩者之間的頻率等同，但是基于不同的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間所實現(xiàn)的諧振頻率差值僅僅在0.19MHz，因此可以將螺旋線圈等效理想的傳輸線，必然需要考慮誤差情況，通過考慮線圈等效電阻此種情況下的等效電路如圖2所示。
圖2 集總等效電路
2 構(gòu)建系統(tǒng)模型及理論分析
2.1 系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu)及等效電路
螺旋線圈處于終端短路的串電容系統(tǒng)中相應(yīng)的傳輸結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括了發(fā)射線圈、外界電容、高頻電源、接收線圈以及純電阻負載。通過依據(jù)該示意圖可以得出等效電路圖（如圖3所示）。圖中設(shè)定高頻電源電壓為Ui；發(fā)射、接收線圈的電感數(shù)值為L1及L2；高頻電源內(nèi)阻設(shè)定為Rs；發(fā)射、接收線圈的分布電容為C1及C2；發(fā)射、接收線圈的外接電容為Cex1、Cex2；高頻下線圈的等效電阻設(shè)定為Rr，主要包括了輻射損耗、歐姆損耗兩種電阻；傳輸系統(tǒng)負載設(shè)定為RL；兩線圈之間的互感設(shè)定為M。
圖3 傳輸系統(tǒng)等效電路
2.2 系統(tǒng)輸出功率及傳輸效率計算
通過根據(jù)系統(tǒng)等效電路理論，KVL方程式的列寫如下：
由公式（1）可以得出如下公式：
根據(jù)公式（2）可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的輸出功率及負載類接收功率主要如下：
根據(jù)公式（3）可以得出該系統(tǒng)的整體傳輸效率公式為：η= p0/p1，當兩線圈諧振情況下，則得出Im[Z11]=Im[Z22]=0。
針對兩個線圈處于諧振情況下，通過將公式（2）以及公式（3），代入至η = p0/p1中，系統(tǒng)的輸出效率公式如下：
2.3 優(yōu)化參數(shù)
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針對系統(tǒng)的輸出功率，確保線圈諧振頻率、輸出電壓幅值、負載均未改變情況下，通過逐步加大兩線圈之間的距離數(shù)值，此種情況下互感數(shù)值呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。在初始階段兩線圈之間存在距離數(shù)值較小，ω作為兆赫茲級，因此將公式（4）簡化為∶
根據(jù)如上公式可知，隨著兩線圈之間的距離變化，M值呈負相關(guān)，其他參數(shù)值均并未改變。而如果持續(xù)增加兩線圈的距離數(shù)值，則使得（Mω）2與（Rr+ARL）（Rr+ARs）之間起到共同作用，存在了最優(yōu)化的互感數(shù)值。
針對系統(tǒng)的傳輸效率，同樣針對系統(tǒng)的輸出功率，確保線圈諧振頻率、輸出電壓幅值、負載均未改變情況下，逐步增加兩線圈之間的距離，此種情況下會發(fā)現(xiàn)互感數(shù)值呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。在初始階段兩線圈之間存在距離數(shù)值較小，ω作為兆赫茲級，因此（Mω）2≥（Rr+ARL）（Rr+ARs），此種情況下可以將（Rr+ARL）（Rr+ARs）項忽略，即簡化公式（5）最終得出 ：
根據(jù)如上優(yōu)化所得的公式（6）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過簡化之后得出的傳輸效率作為始終固定的數(shù)值，要想使得LRA≥Rτ，則傳輸效率并未發(fā)生改變，且傳輸效率數(shù)值在100%左右。而如果持續(xù)增加兩線圈的距離數(shù)值，則使得（Mω）2與（Rr+ARL）（Rr+ARs）之間起到共同作用。如果再次增加兩線圈之間的距離數(shù)值，則會出現(xiàn)降低傳輸效率的情況。由此可見該系統(tǒng)的傳輸效率，并未存在最優(yōu)化的互感數(shù)值。但是可以對此發(fā)現(xiàn)，傳輸效率的下降幅度相對較小，一旦對兩線圈的中距離范圍有所超出，即導致傳輸效率逐步發(fā)生下降。與此同時諧振頻率的提升，更是增強了兩大線圈之間的互感，對小線圈內(nèi)部的阻值有所減少，作為確保系統(tǒng)傳輸效率的關(guān)鍵舉措。
3 實證分析
為了對上述相關(guān)分析是否正確加以驗證，本次研究通過制作基于螺旋線圈的終端短路串電容磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，設(shè)置該系統(tǒng)的諧振頻率在4.25MHz，驗證該系統(tǒng)的電能傳輸效率。在本次實驗過程中，由功率放大器以及信號發(fā)生器有關(guān)元器件，實現(xiàn)了高頻電源，使用WK6500B測得主要電氣參數(shù)。發(fā)射線圈及接收線圈的主要參數(shù)值如下：
L1=23.68Hμ，C1=6.2pF,Cexl=50pF，Rr=0.415?；L2=24.15Hμ，C2=5.8pF,Cex2=50pF，Rr=0.397?；
在實驗過程中的裝備主要由高頻電源發(fā)射至線圈上，經(jīng)過磁耦合諧振完成線圈能量接收，供接收線圈的負載運用。在該設(shè)備中的發(fā)射、接收線圈D30cm、8N、h12cm，采用紫銅為導線材料，σ=5.8×107S/m的導電率。為了驗證電能傳輸效率的數(shù)值最大化，及輸出功率最大化之間的變化準確性趨勢，通過不斷改變兩線圈之間的距離，同時確保系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)。通過使用開路電壓法測壓感，對兩線圈存在的互感數(shù)值加以測量，后得出互感數(shù)值如表1所示。
表1 兩線圈不同距離互感值
由上部分公式（5）可得系統(tǒng)的傳輸效率及輸出功率之間的理論數(shù)值，通過繪制驗證所得的系統(tǒng)傳輸效率及輸出功率，及理論所得的傳輸效率及輸出功率相符程度。
由此可見終端短路串電容磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，輸出功率存在了最優(yōu)胡感知，傳輸效率會隨著兩線圈之間的距離而呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，但是在超出最優(yōu)互感值之后，則會出現(xiàn)蓄奴下降情況。針對該模型系統(tǒng)來講，應(yīng)當提升兩線圈的諧振頻率，從而隨之提高了兩線圈的互感值最優(yōu)化，更有效減少了兩線圈內(nèi)部形成的內(nèi)阻數(shù)值，有效提升系統(tǒng)的傳輸效率及輸出功率。
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