金属障碍物对磁耦合谐振无线电能传输系统的影响

陈 琛 黄学良 孙文慧 谭林林 强 浩

（东南大学电气工程学院 南京 210096）

1 引言

目前，无线电能传输技术是国内外研究的热点，源源不断的科学家、工程师投身到该领域的研究中，越来越多的新方法、新理念层出不穷。短短几年的发展，该技术已经被广泛应用于电动汽车、便携式移动设备、医疗器械、水下潜艇等不同领域[1-3]。国内外的研究大多集中于能量在自由空间中传播的情况[4-8]。然而随着无线电能传输技术的推广，其应用环境也日趋复杂。在系统周围，可能会在不同位置出现不同材质的障碍物。障碍物的出现将对系统的工作状态产生很大的影响，甚至会导致系统失谐而不能正常工作。

一些学者已经对某些状况下的系统干扰问题进行了研究[9,10]，对设置在系统周围固定位置的金属干扰体进行了分析。本文在此基础上，通过有限元分析软件 COMSOL对铁质障碍物处于不同位置时系统周围磁场进行了仿真，分析了对系统能量传输的影响。最后通过实验验证表明，金属障碍物的引入会导致系统工作频率下降，输出功率降低。另外，实验中通过调节可调电容，改变系统相关参数，使系统恢复到原来的谐振状态，使输出功率最大，这一结论将对磁耦合谐振无线电能传输技术应用于复杂环境的传输系统具有很好的指导意义。

2 磁耦合谐振无线电能传输系统模型

磁耦合谐振无线电能传输系统主要借助于交变磁场将能量从发射线圈传递到接收线圈，实现对负载的供电。图1是一个典型的磁耦合谐振无线电能传输结构，它由独立的两个部分组成，分别连接到电源和负载，图2为其等效电路。

图2 无线电能传输系统等效电路Fig.2 equivalent circuit of wireless power transmission system

图1中，传输系统由发射器、接收器组成，除此之外，一个完整的感应耦合无线电能传输系统还必须有发射功率源和接收功率设备。高频振荡电路和高频功率放大电路用于产生高频功率源。图2中，U为高频逆变源；ZS为电源内阻；L1为发射线圈的等效电感；L2为接收线圈的等效电感；R1为发射线圈在高频下的等效电阻；R2为接收线圈在高频下的等效电阻；M为两线圈之间的互感；C1为发射线圈在高频下的寄生电容；C2为外接可调电容；ZL为负载电阻。

根据等效电路可以列出系统的KVL方程为

负载功率，即系统输出功率为

当系统发生谐振时，系统具有最大的传输功率，即满足

若系统附近遇到铁磁性材料的障碍物，系统周围磁场将发生变化，从而导致线圈之间的互感等参数变化、系统失谐以及输出功率降低。基于此，本文通过仿真和实验研究分析了障碍物在不同位置时对系统产生的影响。

3 磁场仿真

本文通过电磁场有限元分析软件 COMSOL来进行电磁场的仿真。首先对实际系统进行电流测量，已知发射线圈和接收线圈电流，设置电流值和相应的线圈几何参数，根据实验所用的线圈参数在软件中建立螺旋线模型，设置20costω电流，频率为2.2MHz，周围3m半径的空气作为仿真区域。铁质金属障碍物的相对磁导率为4 000，相对介电常数为1，电导率为1.12×107S/m，密度为7 870kg/m3，仿真结果如图3所示。

图3 障碍物对系统磁场的影响Fig.3 Obstacles affection on magnetic field of the system

由图3可以看到：障碍物的设置使周围磁场发生了变化，并且在系统不同位置对系统磁场影响不同。

将金属障碍物距离两线圈连线中点的距离设置为扫描参数，可得到线圈互感随障碍物位置不同的变化曲线，距离为负表示距离接收线圈较近，反之表示距离发射线圈较近。仿真结果如图4所示。

由仿真结果可知，当障碍物位于两线圈之间时，障碍物距离任一线圈越近，对互感的影响越大；当障碍物位于两线圈外时，障碍物距离线圈越近，对互感影响越大。而障碍物在发射侧对系统的影响大于接收侧。由上述分析可知，障碍物的引入对系统互感产生很大的影响，进而导致系统的输出功率和效率发生变化。

图4 障碍物对线圈之间互感的影响Fig.4 Obstacles affection on the mutual inductance between coils

4 实验验证

本实验以铁质金属板作为障碍物，分别置于两个线圈之间和两个线圈外侧进行实验。实验装置如图5所示，将发射线圈和接收线圈固定在导轨上，保持设定距离不变。接收线圈与碘钨灯负载相连接，通过调节接收侧可调电容改变系统参数，保持系统谐振。其主要参数见表1。

图5 实验装置Fig.5 The experimental device

表1 系统参数配置Tab.1 Sysrem parameters

4.1 障碍物对系统工作频率的影响

由于障碍物的设置，将导致系统输出功率发生变化，根据式（2），在系统其他参数不变的条件下，系统频率降低将会导致输出功率的减小，实验结果见表 2。实验中通过可调电容的调节，使系统恢复到原有的工作频率，保证系统具有最大的输出功率。

表2 障碍物对系统工作频率的影响Tab.2 Obstacles effects on the working frequency of the system（单位：MHz）

由实验结果可知，当障碍物在发射端与接收端轴线中点时不影响工作频率变化。而障碍物在发射侧对系统的影响大于接收侧。

4.2 障碍物在系统两侧时对输出功率的影响

4.2.1 障碍物在系统两侧

当铁板在接收和发射线圈外侧时，输出功率与障碍物的距离关系如图6所示。

图6 铁板在接收和发射线圈外侧Fig.6 Iron plate on the outside of receiving and transmitting coil

图6中横坐标为障碍物铁板距离线圈的位置，纵坐标为输出功率。由实验数据可知：①在系统两侧设置障碍物后，将对系统的输出功率产生很大影响，输出功率将随障碍物距离线圈的距离减小而降低；②障碍物在发射端一侧对系统输出功率产生的影响要略大于障碍物在接收端一侧。

在系统两侧设置障碍物后，同时调节可调电容，将增大系统的输出功率。实际测量结果见表3。

表3 障碍物在系统两侧时的输出功率Tab.3 Output power when obstacles on one sides of the system

由实验数据可知，在系统两侧设置障碍物后虽然影响了系统的输出功率，但通过调节系统参数，仍然可以将系统的输出功率维持在无障碍物时系统的输出功率左右并保证系统最大的传输功率。

4.2.2 障碍物在系统之间

当铁板在发射线圈和接收线圈之间时，输出功率与障碍物的距离关系如图7所示。

图7 铁板在接收和发射线圈之间Fig.7 Iron plate between receiving and transmitting coil

通过调节可调电容，使系统恢复到输出功率最大时，实验结果见表4。

表4 障碍物在系统之间时的输出功率Tab.4 Output power when obstacles between the system

由实验数据可知：①当障碍物位于发射和接收线圈轴线中点时，对输出功率影响最小，随着障碍物距离中点位置越远，对系统输出功率的影响越大；②以障碍物位于发射和接收线圈轴线中点为中心，障碍物对系统输出功率的影响呈不对称分布；③通过调节系统参数，将会大幅度提高输出功率，但略小于无障碍物时的输出功率。

5 结论

本文通过对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行实验和仿真分析，主要研究了铁质障碍物的引入对系统工作状态的影响，无论障碍物在发射端、接收端两线圈中间或外侧，都会降低系统的工作频率，导致系统输出功率的变化。障碍物处于不同位置时对系统的影响是不同的，当障碍物在发射端时对系统的影响最大，当障碍物在两线圈轴线中点时不影响工作频率变化。最后实验表明，通过调谐，仍可使系统大致恢复到无障碍物时的状态，保证系统传输功率最大化。

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