閆孝姮 姜亞雷 陳偉華 朱正印

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

在一些高溫、高壓、放射性及水下等特殊金屬環(huán)境如汽潛艇殼體、壓力容器、炮彈殼體，要對其內(nèi)部的傳感器進(jìn)行充電，如果采用打孔引線來實現(xiàn)，就會破壞其結(jié)構(gòu)的完整性，對其安全性造成一定的影響[1-2]。由于磁耦合諧振式的無線電能傳輸方式在金屬環(huán)境中，會有渦流效應(yīng)的產(chǎn)生，這將導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生大量熱量造成能量損失以及系統(tǒng)破壞[3]。壓電材料與金屬材料比較相似的聲阻抗特性，使超聲波對金屬具有良好的透射能力，因此超聲耦合無線傳能系統(tǒng)，可在密閉的金屬環(huán)境中實現(xiàn)高效的能量傳輸[4-5]。該技術(shù)良好的安全性能和便捷性能，使它海洋、礦山、醫(yī)療、航空航天、生物、軍事、石化等比較特殊的環(huán)境中具有非常廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。為了研究不同金屬介質(zhì)在超聲無線傳能系統(tǒng)中的傳輸特性，本文設(shè)計了一套采用壓電換能器的金屬介質(zhì)超聲無線傳能實驗系統(tǒng)，其中包括高頻信號產(chǎn)生、功率放大以及發(fā)射端與接收端阻抗匹配等模塊。在該實驗平臺，分別對鐵、鋁、銅三種金屬作為傳輸介質(zhì)時的超聲無線傳能系統(tǒng)進(jìn)行實驗。

1 超聲無線傳能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超聲耦合無線電能傳輸系統(tǒng)包括函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射端阻抗匹配模塊、發(fā)射換能器、金屬介質(zhì)、接收換能器、接收端阻抗匹配模塊以及負(fù)載等幾部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中函數(shù)發(fā)生器和功率放大器構(gòu)成超聲信號源，通過發(fā)射端阻抗匹配模塊進(jìn)行阻抗匹配，使發(fā)射端壓電換能器能夠獲得理想的電信號，壓電換能器將電信號轉(zhuǎn)化為超聲信號。超聲波通過在金屬介質(zhì)中的傳遞，進(jìn)入接收換能器中，接收換能器利用逆壓電效應(yīng)將超聲波再轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)接收端阻抗匹配模塊的處理，為負(fù)載提供理想的電能，從而實現(xiàn)產(chǎn)生無線傳能的效果。

圖1 超聲無線傳能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 超聲傳能系統(tǒng)金屬介質(zhì)傳輸特性分析

由文獻(xiàn)[9]可知，聲能的衰減可分為擴(kuò)散衰減、吸收衰減和散射衰減三種類型。擴(kuò)散衰減主要跟換能器特性有關(guān)，而吸收衰減和散射衰減主要受介質(zhì)特性的影響。從聲學(xué)角度來分析，介質(zhì)傳輸特性對超聲無線傳能系統(tǒng)的性能影響是比較復(fù)雜的物理過程。本文從機電等效原理引入的M值出發(fā)，通過實驗直接驗證不同金屬介質(zhì)傳輸特性對超聲無線傳能系統(tǒng)的性能影響。根據(jù)壓電換能器工作原理和機電等效原理[10-11]，可得系統(tǒng)的等效電路模型如圖2所示，超聲無線傳能系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成。圖中下標(biāo)符號1和2的Cp、L、C、R，分別表示發(fā)射端和接收端的靜態(tài)電容、動態(tài)電感、動態(tài)電容、換能器的機械損耗電阻與負(fù)載電阻的和。

圖2 系統(tǒng)等效電路模型

當(dāng)發(fā)射端施加激勵電壓的頻率與換能器的串聯(lián)諧振頻率相同時，發(fā)射端與接受端發(fā)生機械共振。此時系統(tǒng)中L1和C1，L2和C2分別發(fā)生串聯(lián)諧振時，壓電換能器的振幅最大，彈性能量最大，換能器在串聯(lián)諧振頻率點fs上工作，系統(tǒng)可獲得最大的電能傳輸能力。可得到簡化的系統(tǒng)等效電路模型如圖3所示。其中接收端輸入電壓可以看作為一個大小為Mi的電流控制電壓源(ccvs)，其中動態(tài)支路電流i和控制系數(shù)M，分別反映了發(fā)射換能器振子的振速和超聲波在耦合介質(zhì)中傳播時振幅衰減的大小。

圖3 系統(tǒng)簡化等效電路模型

由圖3可知，接收端輸出電壓為：

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)確定后，系統(tǒng)的輸出電壓U0僅與控制系數(shù)M值有關(guān)，而M的值與超聲波在金屬介質(zhì)中的擴(kuò)散損耗、散射損耗以及金屬介質(zhì)對超聲波的吸收損耗有關(guān)。

3 超聲耦合無線傳能系統(tǒng)設(shè)計

3.1 信號產(chǎn)生模塊設(shè)計

本文采用的信號產(chǎn)生模塊，是一種由單片機對高頻函數(shù)發(fā)生器MAX038芯片進(jìn)行程序控制的函數(shù)發(fā)生器。該發(fā)生器能夠輸出正弦波、三角波和方波三種信號波，輸出信號的頻率可通過程序控制在0.1 Hz～20 MHz范圍內(nèi)，具有輸出波形穩(wěn)定，失真度小等優(yōu)點。

3.2 功率放大模塊設(shè)計

目前供無線電能傳輸系統(tǒng)的高頻電源電路主要有全橋逆變電路和E類放大電路。全橋電路是對直流電源進(jìn)行逆變產(chǎn)生正負(fù)交替的方波交流電，而E類放大電路是對直流電進(jìn)行斬波產(chǎn)生正和零交替的高頻方波。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法的不同，兩種電路適用于不同的場合。

3.2.1 全橋電路

全橋電路如圖4所示，將開關(guān)管VT1、VT4作為一組一起導(dǎo)通，VT2、VT3作為一組一起導(dǎo)通，兩組MOS管輪流通斷，依靠MOS管的通斷控制電流的流通路徑。這樣在阻感負(fù)載上就會產(chǎn)生高低電平交替變化的矩形波電壓信號，其幅值和輸入電壓相同。但是在全橋電路換流過程中，需要防止一組橋臂兩個MOS管一起開通而致使電路短路，需要留有一定的死區(qū)時間，控制相對復(fù)雜，并且受制于開關(guān)器件開關(guān)速度的限制。因此全橋逆變電路更適合逆幾百赫茲以下的大功率、低頻的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)[12]。

圖4 全橋逆變電路

3.2.2 E類放大電路

E類放大電路如圖5所示，整個電路僅有一個開關(guān)管。與全橋電路相比，E類電路結(jié)構(gòu)簡單，激勵信號只控制一個開關(guān)管的開通和關(guān)斷，可以產(chǎn)生較高頻率的電源，但是開關(guān)管承受的電壓為全橋電路的兩倍。因此E類放大電路更適合為高頻、中小功率的無線電能傳輸供電。目前的研究表明，E類放大電路能產(chǎn)生高頻電源(MHz)，傳輸效率的理論值可以達(dá)到100%，因此采用E類放大電路更合適。

圖5 E類放大電路

圖5中電感L0為電源供電端的輸入電感，起到扼流作用，應(yīng)該足夠大，以保證流過電感L0的電流I0為恒定值。C0為開關(guān)管的旁路電容，可以保證開關(guān)管處于軟開關(guān)狀態(tài)。L1、C1為無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射部分，其電路的工作原理為：在信號Vdrain的激勵作用下，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電容C0被短路，L1、C1兩端的電壓近似為零；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電源Vdc對L1、C1電路充電，諧振電路兩端的電壓為近似為Vds。在一個周期內(nèi)，由于C0的存在，使開關(guān)管處于軟開關(guān)狀態(tài)，L1、C1的二端口網(wǎng)絡(luò)在幅值為Vds，周期為激勵信號頻率的方波激勵下處于串聯(lián)諧振狀態(tài)。

3.3 發(fā)射接收端阻抗匹配模塊

根據(jù)系統(tǒng)電路對外表現(xiàn)為容性的特性，可采用串、并聯(lián)電感的方式進(jìn)行調(diào)諧，使其電路對外成純電阻特性，其等效電路如圖6所示。

(a) 串聯(lián)電感匹配等效電路

(b) 并聯(lián)電感匹配等效電路圖6 換能器匹配電路

由圖6(a)可知在系統(tǒng)工作在串聯(lián)諧振頻率fs處時，其等效總輸入阻抗Zi可表示為：

(3)

為使換能器系統(tǒng)對外表現(xiàn)為純電阻的工作狀態(tài)，可令Zi的虛部等于零，進(jìn)而得串聯(lián)電感Ls的大小為：

(4)

由圖6(b)可得，在fs處換能器的等效輸入阻抗Zi為：

(5)

令虛部為零，得并聯(lián)電感Lp的大小為：

(6)

對于系統(tǒng)的發(fā)射端而言，發(fā)射換能器的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)不但要能消除換能器的容性無功，還應(yīng)起到阻抗變換的作用，使其等效電阻Re上獲得可控的功率。本文采用LC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，由并聯(lián)電容和串聯(lián)電感構(gòu)成。通過調(diào)整匹配電感L和匹配電容C的值，系統(tǒng)可以實現(xiàn)調(diào)諧和阻抗變換，使輸入電壓電流同相位和等效輸入阻抗Zi的值可控，進(jìn)而獲得可控的系統(tǒng)功率。

圖7 發(fā)射換能器LC匹配電路

匹配后換能器的輸入阻抗為：

(7)

為消除系統(tǒng)容性無功，可令阻抗虛部為零，設(shè)系統(tǒng)等效輸入阻抗的期望值為RT，則有：

(8)

(9)

故匹配電容和電感的值分別為：

(10)

(11)

匹配后，換能器與匹配網(wǎng)絡(luò)整體的電品質(zhì)因數(shù)為：

(12)

對于系統(tǒng)接受端而言，要求得到穩(wěn)定的輸出、較大的有功功率，同樣需要做匹配網(wǎng)絡(luò)。由前文分析可知，接收端可等效為受控電壓源，故匹配后系統(tǒng)的等效輸出阻抗應(yīng)為純電阻。本文采用LC匹配網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)諧和阻抗變換，以滿足系統(tǒng)的要求。其等效電路如圖8所示。

圖8 接收換能器LC匹配電路

令Mie=0，則其分析過程與發(fā)射端LC匹配一致，則可得匹配電容、電感為：

(13)

(14)

式中：RL為接收換能器等效輸出阻抗的期望值。

4 超聲無線傳能系統(tǒng)實驗

4.1 實驗裝置

系統(tǒng)發(fā)射和接收換能器均采用同型號壓電換能器，換能器參數(shù)為：中心頻率28 kHz，電容Cp值為5.2 nF，電阻Re值為200 Ω。負(fù)載為純阻性滑動變阻器，阻值在0～100 Ω之間。發(fā)射端換能器激勵電壓為50 V。實驗平臺如圖9所示。

圖9 超聲無線傳能系統(tǒng)實物圖

發(fā)射端輸入阻抗RT取50 Ω，換能器參數(shù)代入式(10)、式(11)，即可求出匹配電容值為44.05 nF,電感值為0.66 mH。同理，接收端RL取100 Ω，換能器參數(shù)代入式(13)、式(14)，即可求出匹配電容值為23.20 nF，電感值為0.57 mH。

系統(tǒng)中金屬介質(zhì)分別采用長寬為20 cm×20 cm，厚度為2 mm的銅板、鋁板和鐵板作為超聲傳能系統(tǒng)中超聲傳播的介質(zhì)材料進(jìn)行實驗。板子材料如圖10所示。

① 銅板 ② 鋁板 ③ 鐵板圖10 金屬介質(zhì)

4.2 實驗分析

該超聲無線傳能系統(tǒng)的負(fù)載RL=100 Ω時，三種金屬接收端電壓電流波形如圖11所示。金屬鋁為介質(zhì)時發(fā)射端輸入電壓有效值Ui=36.8 V，輸入電流Ii=138.6 mA,電壓電流相位差φ=-6°，接收端電壓UL=3.28 V；金屬鐵為介質(zhì)時發(fā)射端輸入電壓有效值Ui=36.8 V，輸入電流Ii=123.0 mA,電壓電流相位差φ=-4°，接收端電壓UL=2.66 V；金屬銅為介質(zhì)時發(fā)射端輸入電壓有效值Ui=36.8 V，輸入電流Ii=108.2 mA,電壓電流相位差φ=-4°，接收端電壓UL=2.09 V。

(a) 金屬鋁電壓電流波形

(b) 金屬鐵電壓電流波形

(c) 金屬銅電壓電流波形圖11 接收端電壓電流波形

金屬鋁為介質(zhì)時發(fā)射端功率：

Ps1=UiIicosφ=3.334 W

金屬鋁為介質(zhì)時接收端功率：

金屬鋁為介質(zhì)時系統(tǒng)效率為：

金屬鐵為介質(zhì)時發(fā)射端功率：

Ps2=UiIicosφ=3.200 W

金屬鐵為介質(zhì)時接收端功率：

金屬鐵為介質(zhì)時系統(tǒng)效率為：

金屬銅為介質(zhì)時發(fā)射端功率：

PL3=UiIicosφ=2.603 W

金屬銅為介質(zhì)時接收端功率：

金屬銅為介質(zhì)時系統(tǒng)效率為：

由以上數(shù)據(jù)可知，金屬鋁為介質(zhì)時的傳輸效率比金屬鐵金屬銅分別增加了45.5%，91.1%。鋁金屬在超聲無線傳輸系統(tǒng)中的傳輸性能明顯優(yōu)于其他兩種。

在不同金屬介質(zhì)情況下，最終得出負(fù)載RL變化時負(fù)載電壓UL的變化情況，如圖12所示。由圖可知，隨著負(fù)載的增大，負(fù)載端接收到的負(fù)載電壓整體趨向于增大；同時，在同一負(fù)載情況下，超聲波經(jīng)過不同介質(zhì)傳輸?shù)截?fù)載端的負(fù)載電壓不同，經(jīng)過銅板和鐵板傳輸?shù)某暡ㄞD(zhuǎn)化到負(fù)載端時電壓值都比較低，而經(jīng)過鋁板傳輸?shù)呢?fù)載電壓值均高于銅板和鐵板。

圖12 負(fù)載RL變化時負(fù)載電壓UL的變化趨勢

目前，該系統(tǒng)在金屬鋁為介質(zhì)時，發(fā)射端功率可達(dá)到3.334 W，接收端功率可達(dá)到0.108 W,系統(tǒng)傳輸效率還比較低。系統(tǒng)的高頻信號產(chǎn)生模塊未進(jìn)行頻率自動跟蹤的設(shè)計，故對于系統(tǒng)中的諧振頻率漂移問題還不能有效解決。而且，目前對于系統(tǒng)的阻抗匹配問題僅采用靜態(tài)匹配方式，對于系統(tǒng)長時間工作等因素產(chǎn)生的系統(tǒng)參數(shù)變化問題，還不能得到有效的調(diào)整。

5 結(jié) 語

本文搭建了采用壓電換能器的金屬介質(zhì)超聲無線傳能系統(tǒng)實驗平臺，實現(xiàn)了超聲波隔金屬介質(zhì)的無線電能傳輸。該系統(tǒng)以超聲波作為能量傳輸媒介，基于機械共振實現(xiàn)能量的無線傳輸，可用于對無線傳感器等微功耗電子設(shè)備進(jìn)行無線供電。而利用超聲波無線能量傳輸這種方式與磁耦合、磁共振、微波等無接觸能量傳輸方式相比，不會產(chǎn)生電磁干擾，因此不會給無線傳感器帶來電磁干擾。同時，實驗在系統(tǒng)參數(shù)確定的情況下，對鐵、鋁、銅三種介質(zhì)下的系統(tǒng)輸出電壓以及負(fù)載變化時輸出電壓的變化趨勢做了對比，實驗結(jié)果表明，金屬鋁具有良好的傳輸特性。