馮 旭， 高 強， 尹志鋒， 李學(xué)科

(1.天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院，天津 300384；2.中國石油蘭州石化公司 乙烯廠，甘肅 蘭州 730060；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有線供電方式具有線路損耗帶來安全隱患、石油化工場景下可靠性差、傳感器供電靈活性低等劣勢[1]。為解決多節(jié)點傳感器網(wǎng)絡(luò)供電問題，亟需無接觸供電方式取代傳感器有線供電，在傳感器無線通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立起無線能量網(wǎng)，提升供電安全性和靈活性。無線電能傳輸(wireless power transmission,WPT)技術(shù)不經(jīng)過導(dǎo)線接觸，而通過空間電磁場、電磁波等方式將電能由電源側(cè)傳遞到負載側(cè)，具有安全可靠、寬廣靈活等優(yōu)勢[2]，并且可以實現(xiàn)單電能發(fā)射端對多傳感器負載同時供電。按照傳輸機理區(qū)分，無線電能傳輸技術(shù)主要分為磁感應(yīng)耦合、電場耦合、電磁波輻射三種實現(xiàn)方法。其中電場耦合方式傳輸距離較短、難以實現(xiàn)大功率傳輸[3]，微波輻射方式工作頻率高、傳輸效率過低，磁感應(yīng)耦合逐漸成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的主流實現(xiàn)方式。Tesla[4]首先開展了基于電磁感應(yīng)原理的近場無線輸電研究，演示了磷光燈的無線供電，并意圖利地球電離層間的8 Hz低頻共振實現(xiàn)全球無線供電。2007年，Soljacic等人提出了磁耦合諧振[5](magnetic resonant coupling,MRC)的概念，利用高品質(zhì)因數(shù)的諧振線圈補償較低的耦合系數(shù)[6]，達到了傳輸距離和傳輸效率的平衡，引領(lǐng)了無線電能傳輸技術(shù)的研究應(yīng)用浪潮。

本文分析了磁耦合諧振無線電能傳輸(MRC-WPT)的物理機理和數(shù)學(xué)模型；設(shè)計了用于多傳感器無線供電的磁耦合機構(gòu)，并進行有限元分析；搭建了多傳感器系統(tǒng)的無線電能傳輸實驗裝置。

1 理論分析

1.1 磁耦合諧振原理

MRC-WPT系統(tǒng)利用發(fā)射器產(chǎn)生高頻交變磁場，通過電磁場耦合方式將電能傳遞至接收端，如圖1(a)所示。同時將電源頻率調(diào)至與發(fā)射器、接收器的本征頻率一致，當兩端間距滿足強耦合條件，通過LC諧振加快發(fā)射/接收線圈間的磁能交換和線圈內(nèi)部的電能/磁能交換，實現(xiàn)兩諧振體間的高效電能傳輸。MRC-WPT具有高品質(zhì)因數(shù)、高工作頻率、恒頻工作的特點[7]，且系統(tǒng)與外部環(huán)境的電磁耦合十分微弱，幾乎不產(chǎn)生相互作用。MRC-WPT與磁感應(yīng)耦合式WPT、微波輻射式WPT的傳輸性能比較當磁耦合無線電能傳輸處于滿足諧振狀態(tài)時，綜合傳輸性能最佳，因而成為了近場無線電能傳輸領(lǐng)域的研究熱點[8]。

1.2 磁耦合諧振等效模型

MRC-WPT系統(tǒng)的基本補償拓撲結(jié)構(gòu)分析方法類似，四線圈模型中的電源線圈、負載線圈可等效為發(fā)射/接收線圈的阻抗匹配電路，四線圈模型可簡化為兩線圈結(jié)構(gòu)分析[9]。以兩線圈模型的SS拓撲結(jié)構(gòu)為例進行分析。等效電路如圖1(b)所示。

圖1 MRC-WPT系統(tǒng)原理及其等效電路

其中，Us為高頻交流電源，Rs為電源交流內(nèi)阻，R1/R2/L1/L2分別為發(fā)射端和接收端線圈的等效電阻、電感，C1/C2分別為雙邊諧振補償電容。ω為諧振器本征角頻率。M為發(fā)射/接收端線圈間互感，I1/I2分別為發(fā)射端、接收端電流，RL為負載阻抗，根據(jù)互感等效電路理論，列寫系統(tǒng)耦合回路方程

(1)

當MRC-WPT系統(tǒng)處于完全諧振狀態(tài)時，元件感容特性抵消，即

(2)

系統(tǒng)諧振頻率為

(3)

發(fā)射/接收端電流分別為

(4)

求解系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率得

(5)

(6)

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型可以得出，系統(tǒng)輸出特性與高頻電源輸出電壓、激勵頻率，耦合單元結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)、諧振頻率，輸出負載阻抗等參數(shù)相關(guān)。給定系統(tǒng)參數(shù)和負載阻抗時，傳輸功率和效率隨線圈間距增大互感M減小而降低。

2 有限元仿真分析

2.1 耦合機構(gòu)設(shè)計

在ANSYS有限元分析軟件中，搭建了如圖2所示的單發(fā)射端三接收端耦合機構(gòu)，發(fā)射線圈半徑84 mm、接收線圈半徑43 mm，均為繞制10匝的圓盤式螺旋結(jié)構(gòu)；為避免磁飽和降低磁滯損耗，安裝鐵氧體磁芯板；為電磁兼容設(shè)計優(yōu)化磁場分布，設(shè)置鋁導(dǎo)體屏蔽板。

圖2 系統(tǒng)有限元仿真模型

在Maxwell靜磁場仿真中繪制模型XZ截面的磁場強度云圖如圖3所示?？梢钥闯?，所設(shè)計的發(fā)射器產(chǎn)生磁場可以鉸鏈至各接收器，添加的磁芯板和屏蔽板有效優(yōu)化了磁場分布。

圖3 磁場強度分布

2.2 耦合參數(shù)分析

在Maxwell渦流場求解中，對接收線圈1與發(fā)射線圈間的氣隙和橫向偏移分別進行20 mm到300 mm步長40 mm，0 mm到300 mm步長50 mm的參數(shù)化掃描，模擬線圈相對位置的動態(tài)變化。根據(jù)仿真結(jié)果繪制的線圈電感和耦合系數(shù)隨相對位置變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 線圈電感—氣隙/橫向偏移變化

圖5 耦合系數(shù)—氣隙/橫向偏移變化

仿真結(jié)果表明，線圈自感受橫向偏移變化的影響較小，氣隙達到100 mm后自感基本保持不變。當橫向偏移較小時，隨著氣隙增大，線圈互感和耦合系數(shù)均急劇降低，且下降趨勢逐漸放緩，最終趨近于零；當橫向偏移較大時，互感值和耦合系數(shù)一直很低，隨氣隙變化幅度較小。

2.3 頻率分析

在HFSS高頻分析中，對接收線圈1與發(fā)射線圈間的氣隙進行100～900 mm步長50 mm的參數(shù)化掃描，頻率分析由1.5～5 MHz。根據(jù)仿真結(jié)果繪制的傳輸效率S21幅度和相位隨頻率、位置變化曲線如圖6、圖7所示。高頻仿真結(jié)果表明，線圈間距在900～400 mm之間，傳輸系數(shù)S21隨激勵頻率正態(tài)分布，系統(tǒng)工作于本征頻率時滿足諧振條件，傳輸效率最優(yōu)，傳輸效率峰值隨距離減少而逐漸增大；線圈間距在350～100 mm之間，線圈互感超過一定閾值，出現(xiàn)諧振頻率分裂現(xiàn)象，出現(xiàn)2個使傳輸效率最優(yōu)的諧振頻率點，而原本征頻率點處變?yōu)閭鬏斝实臉O小值，且距離越小頻率分裂現(xiàn)象越明顯，需要對發(fā)射/接收端進行頻率跟蹤[10]，根據(jù)傳輸性能目標調(diào)整激勵頻率至諧振頻率點。

圖6 幅度S21—頻率/氣隙變化

圖7 相位S21—頻率/氣隙變化

3 實驗驗證

為了驗證理論與仿真分析的正確性，根據(jù)ANSYS中設(shè)計的耦合機構(gòu)參數(shù)搭建了無線電能傳輸實驗系統(tǒng)，直流電源GDP—3303S通過發(fā)射器的電容穩(wěn)壓和高頻逆變環(huán)節(jié)連接發(fā)射線圈，產(chǎn)生高頻磁場，通過磁場耦合為3個接收端負載供電，接收端控制器分別連接Silicon Labs的SENSOR-PUCK環(huán)境光傳感器、相對濕度溫度傳感器平臺和LED燈組，通過TS3310升壓DC/DC變換器調(diào)節(jié)接收功率。示波器SDS1052DL測得接收端輸出電壓波形分別如圖8所示。

可以看出，所搭建的無線電能傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)單電源發(fā)射器對多傳感器負載的無線供電，輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)。配合SENSOR-PUCK的藍牙模塊，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)與能量的并行無線傳輸。

圖8 系統(tǒng)接收端輸出電壓波形

4 結(jié) 論

對多傳感器系統(tǒng)的無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用進行研究，分析了無線電能傳輸?shù)拇篷詈现C振補償機理和等效電路模型，得出在給定系統(tǒng)參數(shù)和負載阻抗情況下，傳輸功率和效率主要受線圈耦合系數(shù)、自感互感等耦合參數(shù)影響的結(jié)論；利用ANSYS軟件設(shè)計了單發(fā)射器多接收器的磁耦合機構(gòu)，進行橫向偏移、縱向偏移、激勵頻率的參數(shù)化掃描，得出線圈相對位置變化對耦合參數(shù)的影響和激勵頻率變化對傳輸效率的影響；根據(jù)理論分析和有限元仿真的優(yōu)化參數(shù)，搭建了單發(fā)射端三接收端的無線電能傳輸實驗裝置，實現(xiàn)了對SENSOR-PUCK傳感器多負載的無線供電，實驗結(jié)果表明輸出端供電電壓穩(wěn)定，證明了所設(shè)計多傳感器無線供電系統(tǒng)的可行性。