低频磁耦合无线电能传输系统中谐振补偿电路研究

沈承舒

(贵阳学院 电子信息工程学院,贵州 贵阳 550005)

无线电能传输技术主要包括磁场耦合式、电场耦合式、微波式、激光式和超声式五大类,可实现不同距离和功率等需求的能量传输。[1]在低频无线电能传输系统中核心原理是运用磁耦合谐振技术实现电能的无线传输。磁场耦合谐振器补偿的作用尤为重要,磁耦合谐振器补偿电路起到了优化系统的功率传输能力和降低电源容量需求的重要作用。[2]为掌握补偿电路对磁耦合无线电能传输系统传输效率的影响,本文拟对不同补偿方式下电能传输的效率进行测试,便于后续研究及电路设计。

1 磁耦合谐振电路补偿原理

电磁共振式无线电能传输电路大多数是基于线圈两端加补偿电容的形式。[3]如图1所示,根据补偿电容的连接方式不同,分为发射侧和接收侧。同时串联电容,称为串-串联谐振方式(S/S);发射侧串联电容,接收侧并联电容,称为串-并联谐振方式(S/P);发射侧和接收侧同时并联电容,称为并-并联谐振方式(P/P);发射侧并联电容,接收侧串联电容,称为并-串联谐振方式(P/S);发射侧和接收侧同时加LC补偿,称为LCL-LCL谐振方式,发射侧和接收侧同时加LCC补偿,称为LCC-LCC谐振方式。

图1 无线电能传输电磁共振式谐振电路拓扑结构

补偿回路中存在电感和电容,当电源频率变化时,电路的感抗和容抗将随着频率变化,从而导致电路的工作状态随着频率变化。在含有电阻、电感和电容的交流电路中,传输电路的两端电压与其电流一般是不同相的,如果调节电路参数或电源频率,使电流与电压同相,则电路工作在谐振状态,电路呈电阻性。

1.1 串联补偿原理

串联谐振补偿电路如图2所示,补偿电容C和传输线圈等效电感L串联,电阻R为回路等效电路电阻。

图2 RLC串联补偿电路

由向量法则可知,图2中回路的输入阻抗为：

(1)

串联谐振频率特性为：

(2)

则回路输入阻抗可变换为：

(3)

1.2 并联补偿原理

并联补偿电路如图3所示,补偿电容C和传输线圈等效电感L并联,电阻R可等效为负载电阻。

图3 RLC并联补偿电路

电路中流过电感L和电容C的电流分别为：

(4)

信号源输出总电流为：

(5)

则电路的总阻抗为：

(6)

2 不同补偿方式下无线电能传输的测试

无线电能传输系统因分为发射部分和接收部分,如图1所示,根据补偿电容的连接方式不同,本次测试针对串-串联谐振方式(S/S)、串-并联谐振方式(S/P)、并-并联谐振方式(P/P)和并-串联谐振方式(P/S)进行试验测试。以下测试数据中C为补偿电路谐振电容,Vi为发射端线圈电压,Ii为发射端线圈电流,Vo为接收端线圈电压,Io为接收端线圈电流,Wi为发射端发射功率,Wo为接收端耦合功率,η为传输效率。

2.1 串-串联补偿谐振方式(S/S)测试

测试原理图如图1(a)所示,发射端与接收端均采用串联补偿的方式,实验发射频率为95 KHz,传输距离为1 cm。发射线圈线径为0.1 mm,匝数为5匝,电感为12.65 μH,内阻为0.105 Ω。接收线圈线径为0.1 mm,匝数为5匝,电感为12.89 μH,内阻为0.102 Ω,负载为10.6 Ω。当同时改变补偿电容从0.22 μF至3.3 μF时,实测数据如表1所示。

表1 串-串联补偿谐振电路改变补偿电容实测数据表

当补偿电容取值为1 μF时,实测波形如图4所示。

图4 串-串联谐振补偿下各测试点电压波形图

2.2 串-并联补偿谐振方式(S/P)测试

测试原理图如图1(b)所示,发射端采用串联补偿方式,接收端采用并联补偿的方式。系统参数与串-串联相同,系统传输测试数据如表2所示。

表2 串-并联补偿谐振电路改变补偿电容实测数据表

当补偿电容取值为1μF时,实测波形如图5所示。

图5 串-并联谐振补偿下各测试点电压波形图

2.3 并-串联补偿谐振方式(P/S)测试

测试原理图如图1(c)所示,发射端采用并联补偿方式,接收端采用串联补偿的方式。系统参数与串-串联相同,系统传输测试数据如表3所示。

表3 并-串联补偿谐振电路改变补偿电容实测数据表

当补偿电容取值为1 μF时,实测波形如图6所示。

图6 并-串联谐振补偿下各测试点电压波形图

2.4 并-并联补偿谐振方式(P/P)测试

测试原理图如图1(d)所示,发射端与接收端均采用并联补偿方式。系统参数与串-串联相同,系统传输测试数据如表4所示。

表4 并-串联补偿谐振电路改变补偿电容实测数据表

当补偿电容取值为1 μF时,实测波形如图7所示。

图7 并-并联谐振补偿下各测试点电压波形图

3 结论

对低频磁耦合式无线电能传输系统的谐振补偿电路进行理论分析,并在补偿电容分别采用串-串联(S/S)、串-并联(S/P)、并-串联(P/S)、并-并联(P/P)连接时对系统的传输参数进行实验测试,并得到系统的传输效率。根据传输效率的数据显示,不同补偿方式下,补偿电容的取值也会对系统造成一定的影响,不同的系统参数需要匹配适合系统的补偿方式及补偿电容。