磁耦合谐振式无线电能传输系统传输特性分析.pdf

第 4 1 卷 第 8 期 2 01 5年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo L 41 NO ． 8 Au g ． 2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 8 5 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 2 1 张国圆， 王习， 赵端． 磁耦合谐振式无线电能传输系统传输特性分析[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 8 5 8 8 ． 磁耦合谐振式无线电能传输系统传输特性分析 张 国 圆 。 ， 王 习 ， 赵 端 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 中国矿 业 大学 物联 网 感 知矿 山 研究 中心 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 矿山互联网应用技术 国家地方联合工程实验室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 建立 了磁 耦 合谐振 式 无线 电 能传 输 系统 的 电路 模 型 ， 分析 了传 榆功 率 、 传 输 效率与 输入 频率 、 传输 距 离、 负载之 间的关 系。仿真和 实验结果表 明 在不 出现频率偏移的情况下， 当系统输入频率与激励线 圈回 路 的谐振 频 率相 同时 ， 传输 功 率和传输 效 率达到 最 大 ； 随 着传输 距 离的增 大 ， 传 输 功率 先增 大后减 小 ， 存 在 最 佳 的传 输距 离使得 传 输功 率最 大 ， 而传 输距 离越 小则传 输 效率越 高 ； 随着 负载 的 增 大 ， 传 输 功 率和 传 输 效 率 先增 大后减 小， 存 在 最佳 的 匹配 负载使 得 传输 功率 和传输 效 率最 大 。 关 键词 无 线 电能传输 ； 磁 耦合 谐振 ； 传 输功 率 ； 传 输效 率 ；匹配 负载 中图分类 号 T D6 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 3 8 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 3 8 ． 0 2 1 ． h t ml An a l y s i s o f t r a n s mi s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f ma g ne t i c a l l y - c o up l e d r e s o n a n t wi r e l e s s p o we r t r a ns mi s s i o n s y s t e m ZH ANG Gu o yu a n ， 。 一， W ANG Xi ， 一， ZHAO Du a n ’ 。 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y， Xu z hou 2 2 1 0 08，Chi na；2． I nt e r ne t o f Thi n gs M i ne Pe r c e pt i onRe s e a r c h Ce nt e r ，Chi n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a；3 ． Na t i o n a l a n d L o c a l J o i n t En g i n e e r i n g L a b o r a t o r y o f I n t e r n e t Appl i c a t i o n Te c hn ol o g y on M i ne ，Xu z hou 2 2 1 0 08，Chi na Ab s t r a c t A c i r c u i t mod e l o f m a g ne t i c a l l y c ou pl e d r e s o na n t wi r e l e s s po we r t r a ns mi s s i o n s y s t e m wa s e s t a bl i s he d，a n d r e l a t i o ns hi p s be t we e n t r a n s mi s s i o n p o we r ， t r a ns m i s s i on e f f i c i e nc y a nd i n put f r e q ue nc y， t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e a n d l o a d we r e a n a l y z e d． Th e s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t r a ns mi s s i o n po we r a n d t r a ns mi s s i o n e f f i c i e nc y a c h i e v e t h e ma xi m u m w h e n i npu t f r e qu e n c y o f t he s y s t e m i s t h e s a me a s r e s o n a n t f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n c o i l l o o p wi t h o u t f r e q u e n c y o f f s e t ；t r a n s mi s s i o n p o we r i nc r e a s e s t he n d e c r e a s e s wi t h i nc r e a s e of t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e，a nd t he r e i s t he o pt i m u m t r a ns m i s s i o n di s t a n c e t o g e t t h e m a x i mum t r a ns m i s s i on p o we r ，whi l e t r a ns mi s s i on e f f i c i e n c y i nc r e a s e s wi t h de c r e a s e o f t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e ； t r a n s mi s s i o n p o we r a n d t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y i n c r e a s e s t h e n d e c r e a s e s wi t h i n c r e a s e o f l o a d， a n d t he r e i s t he o pt i m u m m a t c he d l o a d t o g e t t he ma xi m u m t r a ns mi s s i on p owe r a nd t r a ns m i s s i o n e f f i c i e nc y． Ke y wo r d swi r e l e s s p o w e r t r a ns m i s s i on； ma g ne t i c a l l y c o up l e d r e s on a nc e； t r a ns mi s s i o n po we r ； t r a ns m i s s i on e f f i c i e nc y；m a t c he d l o a d 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 3 0 ； 修 回E t 期 2 0 1 5 - 0 6 2 0 ； 责任编辑 盛男。 基 金项目 “ 十二五” 国家科技支撑计 划资助项 目 2 0 1 2 B AH1 2 B 0 1 ， 2 0 1 2 B AH1 2 B 0 2 。 作者简介 张 国圆 1 9 7 4 一 ， 男， 江苏徐州人 ， 硕士研究生 ， 高级工程师 ， 主要研 究方 向为下一代 网络技术 ， E ma i l 8 7 9 2 9 3 6 5 4 q q ． c o rn。通 信作 者 王 习 1 9 9 0 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为无线电能传输 ， E ma i l 6 9 0 0 7 5 5 6 5 q q ． t o m。 8 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 0引言 无线传感器网络在煤矿安全监测监控系统 、 灾 后救援等应用场合有着不可替代的作用 。然而传感 器节 点 自身携 带 的电池往 往无 法满 足煤 矿 的长 时 间 工作需求 ， 需要经常更换传感器节点， 增加 了人力 、 物力 的开 销 。为确保 无线传 感 器 网络 能够 有效 正常 运转 ， 可采用无线电能传输方式对传感器节点进行 充 电 。 2 0 0 7年 ， 麻省 理 工 学 院 Ma r i n S o l j a c i c教 授 的 团队利用磁耦合谐振原理在 2 m的距离处点亮 1盏 6 0 W 的灯 泡 ] ， 从此 掀起 了一 股研究 磁耦 合谐 振式 无线电能传输的高潮 。目前对磁耦合谐振式无线电 能传输系统的研究主要围绕单激励线圈与单负载线 圈[ ， 以及增加中继线 圈_ 6 等传输结构 ， 而关 于多 个激励线圈同时进行电能传输方面少有研究。本文 通过在负载线圈两侧增加激励线圈建立了磁耦合谐 振式无线电能传输系统， 研究 了传输功率和传输效 率与输入频率、 传输距离、 负载之间的关系 ， 仿真和 实 验结果 验证 了理 论 分 析 的 正 确性 ， 可 为进 一 步 优 化磁耦合谐振式无线电能传输系统提供依据。 1 系统 建模 及理 论分 析 1 ． 1 系统 拓 扑 结 构 磁耦合谐振式无线 电能传输系统结构如图 1所 示 ， 2个参数 相 同 的激 励线 圈构成 发 射 系统 ， 并 由负 载线 圈接 收 能量 ， 且 激 励线 圈 回路 和 负载 线 圈 回路 的固有谐振频率相 同。当电源输出与激励线圈回路 谐振 频率 相 同频率 的 电压 时 ， 线 圈 之 间通 过 磁 耦 合 谐振进行能量传输 。 激励线圈 l 负载线圈 激励线 圈 2 电源 图 1 磁耦合谐振式无线 电能传输 系统结构 1 ． 2 系统等 效 电路 磁耦合谐振式无线 电能传输 系统 等效电路如 图 2所示 。其 中 ， U 为 电源 输入 电压 ； L ， L ， L s分 别为 激 励 线 圈 1 、 激 励 线 圈 2和 负载 线 圈 的 等效 电 感 ； C ， C 分 别为 激励线 圈和负 载线 圈的外 接 电容 ， 以保证各线圈回路达到同一谐振频率； R 为 电源等 效内阻； R 为负载线 圈所加负载 电阻 ； R ， R 分别 为激励线圈和负载线圈的等效欧姆损耗 电阻 磁耦 合谐振式无线电能传输系统的最佳传输频率为 1 ～ 5 0 MHz _ 4 ] ， 此时辐射电阻远远小于欧姆损耗 电阻 ， 因此 可忽 略线 圈辐射 电阻的影 响 。 L C2 图 2 磁耦合谐振式无线 电能传输系统等效 电路 1 ． 3 系统传输 功 率与传 输 效率 忽略线圈之间的交叉耦合 ， 只考虑相邻线圈之 间的直接耦合 。使激励线圈 1与负载线圈的距离等 于激励 线 圈 2与负 载 线 圈 的距 离 ， 由于 线 圈 的 结构 相 同 ， 设 2个激 励线 圈与 负载 线圈 的互感 均为 M 。 设激励线圈回路和负载线圈回路的电流分别为 ， ，激励线圈回路和负载线圈回路的阻抗分别为 z ， z 。 ， 系统角频率为∞ 一2 f f为系统输入频率 。 根据 基尔 霍夫 电压定 律 可得 [ [j j ] [ ㈩ 当系统处于谐振状态时， 激励线 圈回路和负载 线 圈 回路均 呈纯 电 阻特性 ， 化 简式 1 可 得 [ 0 ] 2 o M R R ] L L j ． L 1 - J 由式 2 可得 f U RL R2 l u R 。 R 1 R I R 2 4 叫 ， I 一 面丽 瓣 则系统的传输功率 P 、 传输效率 仇 分别为 P c 一 2 R 一丽 研 4 R 7]L一面一 4 C O 2 RL [ R。 Rt RL R 2 4 0 。 ] RI Rz 5 由式 4 和式 5 可 知 ， 在 【 ， ， R ， R。 ， R。 均 为定 值 的情况 下 ， 系统 传 输 功率 和传 输 效 率 主要 受角 频 率 ∞ 、 负载 R 和互感 M 的影响。 当激励线 圈 和负载 线 圈为螺旋 线 圈且 同轴 放置 时 ， 线 圈 之 间的互感 为 M一 6 式中 ／ 1 0为线圈材质 的磁导率； r ， r 。 分别 为激励线 圈 和负 载 线 圈 的半 径 ； ， n 分 别 为 激 励 线 圈 和 负 载线圈的匝数 ； d为激励线 圈和负载线圈之间的传 输距 离 。 由于 M 是 、 压 ， 引入耦合系数 志来代 表互 2 0 1 5年第 8期 张国圆等 磁耦合谐振式无线电能传输 系统传输特性分析 8 7 感 ， 可 得 o 0 r 一 k 堕堡 7 2 。 ／ Ll L 3 由式 7 可 知 ， 激 励线 圈与 负载线 圈 之间 的耦 合 系数与传输距离的 3次方成反 比， 当传输距离增 大 时 ， 耦 合系数 急剧 下 降 。 2仿 真分 析 为研究传输功率、 传输效率与输入频率、 传输距 离和负载的关系， 利用 Or C A D进行仿真， 仿真参数 L1 6 1 ．8 H ， L2 6 9 ．2 H ， L3 6 5 ．5 H ， C1 6 6 ． 5 p F， C 2 1 3 3 p F， R1 1 ． 5 Q， R2 3 ． 1 Q， R 5 O Q， 一2 6 V， 系统 固有谐 振频率为 1 ． 7 MHz 。 2 ． 1 传输 功 率 、 传输 效 率与输 入频 率 的关 系 固定 负 载 R 一 1 5 0 Q， 分 别 取 耦 合 系 数 k 一 0 ． 0 5 ， 0 ． 3 ， 0 ． 5进 行 仿 真 ， 得 到传 输 功 率 、 传 输 效 率 与输入 频率 的关 系 曲线 分 别 如 图 3 、 图 4所 示 。从 图 3 、 图 4可看 出， 耦合系数 k 一0 ． 0 5时最大传输功 率 和 效率 在 激 励 线 圈 回路 谐 振 频 率 处取 得 ， 而 k 一 0 ． 3 ， 0 ． 5时最大传输功率和效率对应的输入频率均 相 对激 励线 圈 回路谐 振 频 率 产 生 了偏 移 ， 且 随着 耦 合系数的增加 ， 频率偏移越 明显 。 f ／ MH z 图 3 传输功率与输入频率 的关系 曲线 f ／ MH z 图 4 传输效率与输入频率 的关系 曲线 2 ． 2 传输 功 率 、 传输 效 率与传 输距 离的关 系 将 系 统 输 入 频 率 设 置 为 1 ． 7 MHz ， 固 定 负 载 R 一1 5 O Q。由式 7 可知， 激励线圈与负载线圈之 间的传输距离 d与耦合系数 k有关 ， 因此， 仿真时利 用 k来代表 d， 得到传输功率、 传输效率与耦合系数 的关 系 曲线 分别 如 图 5 、 图 6所 示 。从 图 5 、 图 6可 看出， 随着耦合系数的增大 ， 传输效率不断增大 ， 而 传输功率先增大后减小 ； 当 k 一0 ． 0 6时 ， 传输功率达 到最大值 ， 即存在最佳 的传输距离使传输功率取得 最大值 ， 而此时传输效率约为 5 O 。 3 5 1 ． 。 O ．5 0 0 ． 2 0 ．4 0 ． 6 0 ．8 1 ． O k 图 5 传输功率 与耦合 系数 的关 系曲线 图 6传 输 效 率 与耦 合 系 数 的关 系 曲线 2 ． 3 传 输功 率 、 传 输 效率 与 负载 的 关 系 将 系统输 入频 率设 置为 1 ． 7 MHz ， 固定 耦 合 系 数 k 0 ． 0 6 ， 得到传输功率 、 传输效率与负载的关系 曲线 分别 如 图 7 、 图 8所示 。从 图 7 、 图 8可 看 出 ， 随 着负载的增大， 传输功率先增加到最大值然后减小， 传输功率取最大值对应 的负载称为功率匹配负载， 此时传输效率为 5 O ％左右 ； 随着 负载 的增大 ， 传输 效率也先 增加到最 大值 然后减小 ， 传输效 率取最 大值 对应 的负载称 为效 率 匹配 负载 。功率 匹 配负 载 和效 率 匹配 负载是不 同的 ， 实 际应 用 中通 常 追求 高效 率 ， 所以在保证传输功率的情况下 ， 应尽量减小负载。 3 实验 分析 搭建磁耦合谐振式无线电能传输系统 ， 实验装 置 如 图 9所示 。各 线 圈统 一 采 用铜 漆 包 线 ， 铜 漆 包 线线径为 2 mm， 线圈均为 8匝， 线圈半径为 1 3 c m。 手工缠绕线圈不能保证激励线圈和负载线圈的电感 完全一致 ， 实验中用可变电容来保证各 回路谐振频 率 均 为 1 ． 7 MHz 。实 验 中 其 他 参 数 与 仿 真 参 数 一 致 。 8 8 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 乏 图 7 传输功率与负载 的关系 曲线 图 8 传 输效率与负载的关系曲线 图 9实 验装 置 3 ． 1 传 输 功率 与传输 距 离的 关 系 固定负载 R 1 5 0 Q， 改变传输距离 d ， 测量负 载电阻上 的电压 ， 通过计算得到传输功率 与传输距 离 的关 系 曲线 如 图 1 O所 示 。可 看 出随着 传 输 距 离 的增 大 ， 传输 功率 先增 大后 减小 ， 与仿 真结果 趋 势一 致 ， 但 由于信号 发 生 器输 出 的信 号 经 功率 放 大 器 放 大后 很难 保证输 出 电压 恒 定 ， 所 以实验 数 据 与 仿 真 值存在一定误差； 当传输距离 为 8 c m时 ， 最大传输 功率为 3 ． 2 w， 验证 了理论分析 中传输功率表达式 的正 确性 。 3 ． 2 传 输功 率与 负载 的 关 系 固定传输距离 d 一1 0 c m， 改变负载大小 ， 测量 负载 电阻上的电压 ， 通过计算得到传输功率 与负载 的关 系 曲线如 图 1 1所示 。可看 出随着 负载 的增 大 ， 传输 功率 先增 大后 减小 ， 与仿 真结果 趋 势一致 ， 但 由 于距离较近时 ， 交叉耦合影响较大 ， 对传输系统来说 不能忽略 ， 所以实验数据与仿真值存在一定误差 ； 当 功率 匹配 负载 为 1 5 0 Q 时 ， 最 大传 输功 率为 3 ． 3 W ， 验证 了理 论分 析 中传输 功率 表达式 的 正确性 。 图 l O 传输 功率 与传输距 离的关 系曲线 图 1 1 传输功率 与负载 的关 系曲线 4 结语 通 过理论分 析推 导 了磁耦 合谐 振 式无 线 电能 传 输系统的传输功率和传输效率的数学表达式 ， 利用 O r C A D软件对 系统等效 电路 进行 了仿 真并搭 建 了实 验平 台 ， 结果表 明 在 不 出现频 率偏移 的情 况下 ， 当系 统输入 频率与激励 线圈 回路 的谐振频 率相 同时 ， 传 输 功率和传输效率达到最大 ； 随着传输距离的增大 ， 传 输功率先增大后减小， 存在最佳的传输距离使得传输 功率最大 ， 而传输距离越小则传输效率越高； 随着负 载的增大， 传输功率和传输效率先增大后减小 ， 存在 最佳的匹配负载使得传输功率和传输效率最大。 参考文献 E i ] K URS A， K AR AL I S A， MO F F AT T R， e t a 1 ． Wi r e l e s s p owe r t r an s f e r v i a s t r on gl y c ou pl e d ma gne t i c r e s o n a n c e s [ J ] ． S c i e n c e ， 2 0 0 7 ， 3 1 7 6 8 3 8 6 ． E 2 3 丁恩杰 ， 孙志 峰 ， 张 国圆． 井下谐振 耦合 无线 电能传 输 系统 的鲁 棒 性研 究 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 2 4 6 48． E 3 ] 李 阳． 大 功率 谐 振式 无 线 电能 传 输方 法 与 实验 研 究 E D ] ． 天津 河北工业大学 ， 2 0 1 2 ． E 4 ] 毛银花． 用于无 线传感 器 网络 的磁共 振式无 线能量 传 输 系统 [ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨工业 大学 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ]陈逸 鹏． 磁 谐 振耦 合 无 线 电能 传输 系统 的特 性 研 究 [ D ] ． 广州 广 东工业大学 ， 2 0 1 4 ． E 6 ] 罗斌 ， 生茂棠 ， 吴仕闯 ， 等． 磁谐 振耦 合式单中继线 圈无 线 功率接力传输系统的建模与分析[ J ] ． 中国电机工 程 学 报 ， 2 o i 3， 3 3 2 i I 7 0 一 i 7 7 ．