磁耦合双模无线电能传输系统研究

刘晓明 徐叶飞 彭 博 孙天龙 贾茂源

(1.沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870 2.沈阳工业大学(营口)工程技术研究院 营口 115200)



磁耦合双模无线电能传输系统研究

刘晓明1，2徐叶飞1彭 博1孙天龙1贾茂源1

(1.沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870 2.沈阳工业大学(营口)工程技术研究院 营口 115200)

磁耦合感应式无线电能传输(MCI-WPT)感应区域传输效率高，而磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)谐振区域传输效率高，为解决两者优势不可兼得的问题，提出磁耦合双模无线电能传输(MCB-WPT)，引入转换开关组，实现磁耦合无线电能传输系统拓扑结构可控，使其可工作在MCI-WPT和MCR-WPT双模式下，在一定范围内，实现最佳能量传输。建模分析MCI-WPT与MCR-WPT传输效率与传输距离的关系；提出MCB-WPT方案，建立其传输效率模型，并给出MCB-WPT系统设计方法和控制策略。实验证明，MCB-WPT在感应区域和谐振区域均可获得较高传输效率。

无线电能传输 磁耦合 传输效率

0 引言

无线电能传输，作为一种新兴电能传输方式，具有隔离、防爆、防潮及防水等特性，利于自动化输电接口实现，常用于矿井、自动引导运输车AGV(Automatic Guide Vehicle)、水下机器供电以及混合动力车充电等领域[1，2]，将成为未来能源互联网的重要组成部分。

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现电能无线传输。根据能量传输过程中中继能量形式的不同，可分为磁(场)耦合式、电(场)耦合式、电磁辐射式和机械波耦合(超声波耦合)式。磁耦合式无线电能传输因传输功率大、效率高，应用较为广泛[1，2]。其包括磁耦合感应式无线电能传输(Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer，MCI-WPT)和磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)两种形式[2]。

文献[3-7]研究了MCI-WPT的传输原理、发射装置和接收装置的优化设计及系统控制方案。文献[8]率先提出MCR-WPT技术，隔空2 m点亮一个60 W灯泡。文献[9，10]理论分析与实验证明：有且仅在谐振状态下，MCI-WPT系统和MCR-WPT系统具有最高传输效率与最大传输功率。文献[11]指出，在MCI-WPT系统中，随着互感系数增大，传输效率和功率均增大。文献[12，13]研究表明，在MCR-WPT系统中，当互感系数增大到一定程度后，随互感系数进一步增大，传输效率反而降低。目前，国内外直接以传输距离为因变量分析WPT传输效率的研究少有报道，而多数研究在分析传输效率时仅结合互感系数变化。

在手机和可穿戴设备(如智能手环)等WPT充电过程中，发现采用MCI-WPT需要保持接收端紧贴发射端，以获得较高传输效率，一旦有异物(如一定厚度的卡通元素手机保护套)介入发射端与接收端，使得传输距离变长，传输效率将骤降；相反，采用MCR-WPT技术虽可在较大传输距离下获得较高传输效率，但对于同一谐振线圈，当传输距离变近时传输效率却急剧下降。在固定发射端给底盘高低不同的电动汽车WPT充电过程和对运动对象无线供电过程中，均存在此类问题。为此，提出磁耦合双模无线电能传输(Magnetically-Coupled Bi-module Wireless Power Transfer，MCB-WPT)概念：引入转换开关组，改变MCB-WPT系统拓扑，使其可工作在MCI-WPT和MCB-WPT双模式下，在一定范围内，实现最大效率能量传输，对比建模分析MCI-WPT、MCR-WPT和MCB-WPT，直接给出传输效率与传输距离的关系曲线以及MCB-WPT系统设计方法和控制策略。

1 MCI-WPT与MCR-WPT系统

1.1 工作原理

MCI-WPT与MCR-WPT均是基于电磁感应原理[11，12]，结合现代电力电子技术及控制理论的新型电能传输模式，典型MCI-WPT系统和MCR-WPT系统分别如图1和图2所示。

图1 典型磁耦合感应式无线电能传输系统拓扑Fig.1 The typical topology of MCI-WPT

图2 典型磁耦合谐振式无线电能传输系统拓扑Fig.2 The typical topology of MCR-WPT

无论是MCI-WPT还是MCR-WPT，为实现较高传输效率，均在发射端和接收端接入补偿电容。补偿电容可使变换器工作在谐振状态，实现开关器件谐振软开关，降低开关损耗，进一步提高传输效率。

MCI-WPT与MCR-WPT的主要区别在于：能量无线传输过程中，是否发生强磁耦合谐振。强耦合谐振现象的发生依赖于谐振腔，谐振腔工作原理类似音叉共振：同等能量输入下，当激励频率为谐振腔固有频率时，谐振腔发生强磁耦合谐振，谐振腔内电流幅值是非谐振时的数倍(与品质因数有关)，谐振腔周围磁场强度加强。得益于强磁耦合谐振，MCR-WPT可在较大传输距离下实现较高效率无线电能传输。

1.2MCI-WPT传输效率建模

(1)

(2)

(3)

(4)

传输效率ηMCI为

(5)

当发射端和接收端回路均发生谐振时，传输效率ηMCI为

(6)

(7)

式中，μ0为真空磁导率；ri1、ri2分别为发射端和接收端线圈半径；ni1、ni2分别为发射端和接收端线圈匝数。

角频率ω由式(8)计算得出

(8)

MCI-WPT模型中，L=Lis+Mi0，C=Cis。

工程实际中，MCI-WPT传输距离li等于距离Di0。MCI-WPT无线电能传输过程中，系统一直工作在谐振状态，由式(6)，取MCI-WPT传输效率模型各参数如表1所示，计算可得MCI-WPT传输效率ηMCI与传输距离li的关系如图3所示。

表1 MCI-WPT传输效率模型参数表Tab.1 The parameter of the MCI-WPT transmission efficiency model

图3 MCI-WPT传输效率ηMCI与传输距离li关系Fig.3 The transmission efficiency ηMCI and transmission distance li curve in the MCI-WPT

由图3可知，在MCI-WPT过程，若其他参数不变，传输效率ηMCI随传输距离li增加而降低。

1.3MCR-WPT传输效率建模

(9)

(10)

(11)

(12)

Zr1Ir1+jωMr1Ir2=Uri

(13)

jωMr1Ir1+Zr2Ir2+jωMr2Ir3=0

(14)

jωMr2Ir2+Zr3Ir3+jωMr3Ir4=0

(15)

jωMr3Ir3+Zr4Ir4=0

(16)

解得

(17)

(18)

其中

α1=(jωMr2)2Zr4+[-Zr3Zr4+(jωMr3)2]Zr2

(19)

α2=(jωMr2)2Zr1+[-Zr1Zr2+(jωMr1)2]Zr3

(20)

为使系统易于工作在谐振点，提高系统传输效率，设计时，常使发射端感应回路和接收端感应回路、发射端谐振回路和接收端谐振回路的物理结构对称，电气参数一致。因此，为便于计算，令Mr1=Mr3、Zr2=Zr3，由效率公式可求得

(21)

其中

α3=Zr2Zr4-(jωMr1)2

(22)

α4=Zr1Zr2-(jωMr1)2

(23)

表2 MCR-WPT传输效率模型电气参数表Tab.2 The electrical parameter table of the MCR-WPT transmission efficiency model

表3 MCR-WPT传输效率模型物理尺寸参数表Tab.3 The physical parameter table of the MCR-WPT transmission efficiency model

如图4a所示，保持Dr1(Dr1≠0)不变，传输效率ηMCR与lr的关系，与保持lr(lr≠0)不变，传输效率ηMCR与Dr1的关系均类似上凸抛物曲线。

图4 MCR-WPT传输效率ηMCR与Dr1、 lr关系Fig.4 The transmission efficiency ηMCR and Dr1、 lr in the MCR-WPT

图4b进一步分段显示在Dr1不同取值下，传输效率ηMCR与传输距离lr的关系：在MCR-WPT过程，若其他参数保持不变，系统一直处于谐振状态，随着传输距离lr由远渐近，传输效率ηMCR先增大后减小。

2 MCB-WPT系统

2.1 工作原理

由于MCI-WPT在传输距离较近时传输效率高(同MCB-WPT比较)，但在传输距离较远时传输效率低；MCR-WPT在传输距离较远时传输效率高，但在传输距离较近时传输效率反而低。无论传输距离远近，为使无线电能传输均具有较高传输效率，采用如图5所示MCB-WPT系统，通过转换开关组S1、S2选择是否使谐振腔接入系统，使MCB-WPT系统工作在MCI-WPT和MCR-WPT两种传输模式中传输效率较高的模式，说明如下：

图5 MCB-WPT工作原理 Fig.5 The MCB-WPT working principle

1)S1、S2开断转换点为临界传输距离，当传输距离等于临界传输距离时，MCB-WPT工作于MCI-WPT模式传输效率等于MCR-WPT模式传输效率。

2)使传输距离小于临界传输距离的空间区域为感应区域。在感应区域内，MCB-WPT工作于MCI-WPT模式传输效率高于MCR-WPT模式传输效率。

3)使传输距离大于临界传输距离的空间区域为谐振区域。在谐振区域内，MCB-WPT工作于MCI-WPT模式传输效率低于MCR-WPT模式传输效率。

在谐振区，转换开关组S1、S2闭合时，MCB-WPT系统工作在MCR-WPT模式；在感应区域，S1、S2断开时，MCB-WPT系统工作在MCI-WPT模式。

2.2 MCB-WPT传输效率建模

ηMCB=max{ηMCI,ηMCR}

(24)

由式(24)，取MCB-WPT传输效率模型参数与MCR-WPT传输效率模型参数一致，计算得MCB-WPT传输效率ηMCB与传输距离lb关系如图6所示。

图6 MCB-WPT传输效率ηMCB与传输距离lb关系Fig.6 The transmission efficiency ηMCB and transmission distance lb in the MCB-WPT

2.3 控制策略

当负载移动，接收端线圈在感应区域和谐振区域间变动时，为使MCB-WPT系统持续工作在最大传输效率状态，需采取适当控制策略，开通与关断转换开关组S1、S2。

MCB-WPT系统根据负载距离调整工作模式，实现高效传输，简单有效的方法是直接计算接收端谐振线圈与发射端谐振线圈的距离Db2， 以此判断传输是否处于感应区域，并控制转换开关组S1、S2动作，控制流程图如图7所示。

图7 MCB-WPT控制流程图Fig.7 The control diagram of the MCB-WPT

具体控制流程：启动时，输出单个能量脉冲作用于线圈Lbs，在互感Mb1作用下，线圈Lbr感生电流Ibr；感生电流Ibr在发射端谐振回路阻抗Zr2及互感Mb1、Mb2作用下阻尼振荡衰减；保持Db1=Db3不变，即Mb1=Mb3不变，此时阻尼振荡信号频率frlc主要和Mb2有关，即与传输距离lb有关；接收线圈Lbr感生电流Ibr振荡信号，通过微控制器(Micro Control Unit，MCU)时间计数可得振荡信号频率frlc，再通过振荡信号频率frlc与传输距离lb关系判断发射端与接收端位置关系；进一步控制转换开关组S1、S2开断，实现高效传输。

输出试探脉冲到接收振荡信号的过程，其原理可用式(25)所述RLC二阶电路冲激响应解释。

(25)

式中，ubc为电容Cbr电压；Lbm=Lbr+Mb1+Mb2。

传输距离lb与振荡信号频率frlc的关系可表示为

(26)

由式(26)及Lbm=Lbr+Mb1+Mb2，取Lbr=Lrr=1.59 μH，Cbr=Crr=0.3 μF，Mb1、Mb2由式(7)类比计算得出(计算Mb1时取Db1=30 mm)，计算得传输距离lb与振荡信号频率frlc关系如图8所示。

图8 传输距离lb与振荡信号频率frlc关系Fig.8 The transmission distance lb and resonant signal frequency frlc curve

在连续功率输出状态下，模式调整过程可按类似原理实现，其控制流程如图9所示。

图9 模式调整流程图Fig.9 The control diagram of the model adjustment

3 实验

在设计MCB-WPT系统时，为提高传输效率，无论系统工作于MCI-WPT模式还是MCR-WPT模式，各回路均应工作在谐振状态。受功率器件限制，常见MCI-WPT系统工作在22～250 kHz频率范围，少数则工作在500 kHz；MCR-WPT系统工作频率则从90.79 kHz到80 MHz不等[2]。工程实际计算传输效率时，还应综合考虑变换电路开关器件开关损耗，同等功率下，频率越高，开关损耗越大。为此，将MCB-WPT系统主频设计在230 kHz附近(小范围调节驱动频率，以避免系统工作于其他因频率分叉现象而出现多谐振点[6])。

为验证MCB-WPT系统实用性，按图5所示拓扑结构，搭建实验MCB-WPT系统样机(如图10所示)。

图10 实验装置Fig.10 The experiment equipment

图11 实验结果Fig.11 The experiment result

由实验结果可知，MCB-WPT在传输距离较近时，传输效率高于MCR-WPT传输效率；传输距离较远时，传输效率明显高于MCI-WPT传输效率。

4 结论

建模分析传输距离对MCI-WPT和MCR-WPT传输效率的影响，提出MCB-WPT概念，建模分析，给出控制方法，并实验证明MCB-WPT可提高现有无线电能传输方式使用性能，解决了MCI-WPT感应区域传输效率高与MCR-WPT谐振区域传输效率高两优点不可兼得的问题。建模分析结论除适用于指导MCB-WPT系统设计外，还适于一般MCI-WPT和MCR-WPT系统设计。

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Study on Magnetically-Coupled Bi-module Wireless Power Transfer

LiuXiaoming1，2XuYefei1PengBo1SunTianlong1JiaMaoyuan1

(1.School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2.Institute of Engineering and Technology Shenyang University of Technology (Yingkou) Yingkou 115200 China)

To combine the respective transmission efficiency advantages of the magnetically-coupled inductive wireless power transfer (MCI-WPT) in the inductive field and the magnetically-coupled resonant wireless power transfer (MCR-WPT) in the resonant field，the magnetically-coupled bi-module wireless power transfer(MCB-WPT) is presented in this paper，whose topology is changed according to the control by the state-switches.The MCB-WPT can work in the MCI-WPT mode and MCR-WPT mode with optimal transmission efficiency in the valid range.Moreover，the influence of the transmission distance on the transmission efficiency with MCI-WPT and MCR-WPT models is analyzed and the concept of MCB-WPT is proposed.Furthermore，the optimal design and control strategy is presented.The experiment shows that the high transmission efficiency can be obtained in both inductive field and resonant field with MCB-WPT.

Wireless power transfer，magnetically coupled，transmission efficiency

国家自然科学基金(51377106)和国家自然科学基金重点项目(51337001)资助。

2015-02-14 改稿日期2015-04-02

TM724

刘晓明 女，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为现代高压电器设计及应用、高电压与绝缘技术、智能电器。(通信作者)

徐叶飞 男，1991年生，硕士，研究方向为智能电器。