无线电能传输系统设计与分析

赵 鑫

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州225101)

0 引 言

无线电能传输技术最早由尼古拉·特斯拉提出,21世纪初,美国麻省理工学院(MIT)研究人员提出了强耦合电磁谐振原理,并隔空点亮了一个60 W灯泡,有效距离2.74 m,此项实验引起世界注目[1]。因为能够有效地克服传统有线供电方式存在的操作灵活性差、易产生接触火花、电线暴露腐坏等问题,所以其应用前景十分广阔,特别是在电动汽车充电系统、无线传感网络、小型移动工具、工业机器人、航空航天、军事、医疗器械、油田矿井、水下作业等几乎所有移动用电领域以及易燃易爆等严苛环境中,都有极大的应用价值。

1 无线能量传输技术理论

电磁场发生源周围空间中的交变电磁场可以分为:近区场(又称感应场)和远区场(又称辐射场),前者的电磁场能量约束在发生源周围空间,周期性地来回流动,而后者的电磁场能量则以电磁波的形式向外发射[2]。

无线能量传输技术通常采用的互感耦合模型,初级发射端由直流输入,经过逆变形成一定频率的交流源,发射线圈产生交变磁场,次级接收端电路发生谐振耦合发射线圈的能量,供给负载[3-4]。

2 电感电容串联-串联电路建模分析

电容电感串联-串联与电容电感串联-并联2种拓扑结构目前最为常用[5],这里只深入解析串联-串联拓扑结构的传输特性,串联-串联谐振耦合模型如图1所示。电流方程:

图1 串联-串联谐振耦合模型

式 中:M=K L1L2;ω1=1/(L1C1);ω2=R/(2L2);β1,β2分别为初次级回路的阻尼系数。

3 串联-串联结构下工作频率、耦合系数对传输特性影响的分析

为了解析工作频率、耦合系数、负载对系统传输特性的影响,主要是对传输功率、传输效率的影响,现利用Matlab仿真计算。其传输特性变化曲线如图2所示。设定系统的谐振频率10 k Hz左右,初级回路L1=1 000μH,C1=0.3μF,R1=0.8Ω,次级回路L2=1 000μH,C2=0.3μF,R2=0.8Ω,源端U=220 V,RL取60Ω。

图2 传输特性变化曲线

结合图1、图2可以看出,耦合系数存在最优值,耦合系数过小,谐振状态下,初级回路中的反映阻抗过小,能量难以耦合,初级发射端趋近短路,造成电流和功率急剧增大,虽然传输到次级接收端的功率相应增大,但传输效率下降;耦合系数过大,谐振状态下,初级回路中的反映阻抗过大,传输功率开始下降,趋同于初级发射端的功率,但传输效率增大。

传输功率和传输效率最大时的频率并不完全吻合,但在特定的电磁结构下(电容、电感、内阻、频率、负载、耦合系数),两者能够重合。在设计传输系统时,需选好耦合系数,设计电路时须综合考虑传输功率、效率、初级发射端电流,平衡相互的关系。

4 串联-串联结构下工作频率、负载对传输特性影响的分析

将工作频率f、负载RL对系统传输特性的影响结合来看,耦合系数K取0.3。

结合两图可以看出,谐振状态下,当负载逐渐减小,谐振频率点从1个逐渐变为2个;负载的取值过大时,系统传输功率会急剧上升,而传输效率出现明显下降。其传输特性变化曲线如图3所示。

由此可见,负载存在一个值域范围,串联-串联结构选用负载值相对较小为宜。

图3 传输特性变化曲线

5 多接收端能量传输系统分析

基于1个发射端和1个接收端的拓扑结构理论分析,可扩展至1个发射端对多个次级接收端供电,在无线传感器网络中,假设系统存在2n+2个接收端。多接收端系统示意图如图4所示。

对2n+2个接收端进行电路等效模型分析,每一个接收端是一个回路[6],则:

图4 多接收端系统示意图

式中:Mmn=kmnLmLn。

设L3i=L3,C3i=C3,Rp3i=Rp3,L4i=L4,RLi=RL,M34i=M34(i=1,2,…,n),每个接收端与发射源的相对位置不同,导致M23i各不相同。

可计算回路3i与回路4i的阻抗,回路4i反映到回路3i中的等效阻抗,……,直到第i个接收端反映到回路2中的等效阻抗。除了计算等效总阻抗,还可以计算分析接收端与发射端之间的互感和耦合系数等一系列特性。

6 结束语

本文通过建立电容电感串联的电路模型,优化算法,利用Matlab仿真计算对电路模型中各参数进行了理论分析,特别是耦合系数、频率、负载值对传输特性的影响,对无线电能传输技术后续应用发展具有重大意义。