用于货架电子设备的准无线电能传输技术

赵锦辉, 陈希有, 金 鑫, 于峰权

(大连理工大学电气工程学院, 辽宁 大连 116024)

1 引言

近年来,商业智能零售的概念开始普及。如此一来,诸如电子货架标签(Electronic Shelf Label,ESL)类的电子显示屏设备开始走进公众视野,如图1所示。ESL是一种可替代传统纸质标签的智能显示装置,每个ESL通过网络与云端连接,可以将最新的商品价格信息实时更新显示,帮助商家省去了大量时间和人力成本更换纸质商品标签。目前ESL采用一次性电池供电,存在更换繁琐的问题,并且废弃电池会破坏自然环境。因此,将ESL的电池更换为可充电电池,使其夜晚无人期间在货架上自主充电是一种更好的方案。电池充电分为有线式和无线式,有线式是通过导线将货架上的电源与ESL连接,供电稳定但货架需要较大的改造,同时ESL的位置受限于电源的范围,无线式采用无线电能传输技术或准无线电能传输技术,通过电磁场传输能量,无需导线连接电源和ESL,提高了供电的灵活性。

图1 电子货架标签Fig.1 Electronic shelf label

无线电能传输技术在生活中有广泛的应用[1],主要有磁场式和电场式两种。磁场式利用发射侧线圈产生的交变磁场实现能量传递[2-4]。电场式通常利用发射侧和接收侧两对极板间的高频电场传递电能[5],但也有利用单对极板间的耦合传输电能[6-9]。同时,还存着一种介于双线和无线之间的单线电能传输技术,利用单根导线和空间电场将能量从发射侧传输到接收侧[10,11]。单根导线在一定条件下可以被环境中的金属导体替代,例如铝板、金属货架等,达到“无线”状态,从而实现准无线电能传输。准无线电能传输技术不同于传统的单线电能传输技术,因为金属物体的电气特性和单根导线存在差别,不能将其简单视为导线,所以通过接触实现能量传输是介于“有线”和“无线”的中间状态。

电子设备接触到发射侧导电金属就可以接收到能量,这种电能传输技术不需要复杂的耦合机构,大幅提高了供电的灵活性。对于二维区域内的无线供电技术,采用磁场式,发射侧需要一个大的平面线圈,成本较高,且不同位置处的耦合参数不同,为多个负载供电时,电路模型更为复杂[12,13]。采用电场式,发射侧为两极板时,受限于极板的对准,接收侧仅可在一个方向有较大移动自由度[14,15];发射侧为单个极板时,接收侧极板可以在二维平面内自由移动,但目前的研究少有将负载近距离放置在发射侧极板上,仍是负载远离发射侧极板[16]。利用准无线电能传输技术,接收设备与发射侧单极板接触即可实现供电,接收侧可自由移动,文献[17]接收侧利用谐振线圈传能,但存在体积过大问题。

磁场的建立需要电流形成闭合回路,通常使用闭合线圈作为耦合机构进行引导。电场的建立需要电势差,无需闭合回路,导体所到之处,周围都可以建立电场,故借助孤立导体便可以引导。借助货架的导体部分,通过电子设备与导体接触,就可以传输能量,这种准无线电能传输方式在满足无线供电的同时还将大幅降低发射侧的成本和复杂性,并提高了用电设备供电的灵活性。本文针对货架金属顶层层板上设备的供电需求,以准无线的方式实现了为多个低功率(mW～W级别)电子设备供电,设计的小体积接收装置利于内置到电子设备。后续出现的货架层板,其材质默认为是导电性优良的金属,表面无绝缘涂层,且与货架金属支柱处于非连接状态。

2 货架层板准无线供电系统的结构与建模

本文设计的货架层板上低功率电子设备的供电示意图如图2所示。发射电源通过导线连接到图2中货架层板,接收装置由导电底板、PCB电路板及金属线构成,金属线接入上层的PCB板。

图2 货架供电示意图Fig.2 Shelf to power electronic devices

2.1 货架层板准无线供电系统结构

货架层板准无线供电系统结构如图3所示,其中Edc为直流电源,S1～S4为4个组成高频逆变器的GaN开关管。发射侧是由补偿电感Lf、补偿电容Cm和货架层板构成,接收侧主要由LC补偿电路、整流桥、金属线、铝片底座和负载电阻构成。其中Lr1、Cn1、R1和Lr2、Cn2、R2分别为两个接收设备的补偿电感、补偿电容、负载电阻。直流电源经过高频逆变器后产生高频交流电,经LC补偿网络升压后在货架层板上产生高频高压,接收设备放置在货架层板上,铝片底座接入接收侧的LC补偿电路,铝片底座与货架层板接触实现电路短接,接收侧电路的另一端接金属线,通过金属线与周围环境耦合产生的位移电流构成回路,实现电能的准无线传输。

图3 货架层板准无线供电系统结构图Fig.3 Structure of shelf laminate quasi-wireless power supply system

2.2 电场耦合部分电路模型

货架层板和金属线分别是接入发射侧和接收侧的孤立导体,均存在对大地自有部分电容Cself和对周围环境的杂散电容,Cself主要与导体的形状和大小有关。导体周围环境可近似视为和大地的电势相同,统称为导体的等效电容。在此基础上,可以确定货架层板、金属线和大地间的电场耦合关系,如图4所示。图4中,Cx为货架层板等效电容,Cy、Cy1、Cy2为金属线等效电容,Cb、Cb1、Cb2为金属线和货架层板间等效电容,Co为两个金属线间等效电容。从而可得系统电场耦合部分电路模型如图5所示。

图4 电场耦合示意图Fig.4 Electric field coupling diagram

图5 电场耦合电路模型Fig.5 Electric field coupling circuit model

货架层板的自有部分电容Cself根据文献[18],可以将其等效为一个待定半径圆盘的电容进行计算,其所推导的平板电容公式为:

(1)

式中,l为平板的周长;S为平板的面积;ε0为真空介电常数,ε0=8.854 187 817×10-12F/m。

实际实验环境中,货架层板不可能处于空旷的场所,等效电容中,与周围环境间的杂散电容不可忽略。杂散电容是无法单独计算或使用有限元软件精确仿真得到,因此,对于货架层板以及金属线的等效电容参数获取,可采用实验测量的方法间接获得。交流电源的一端接货架层板,另一端接大地。测量金属线等效电容时,将金属线竖直放置在货架层板中央,两者短接,使用电流探头测得流入货架层板的总电流Is。两者的测量电路如图6所示。根据式(2),可求得货架层板等效电容Cx和两者总的等效电容Cz。进而根据式(3),求得金属线的等效电容Cy。

(2)

图6 等效电容测量电路Fig.6 Measurement circuit for equivalent capacitance

Cy=Cz-Cx

(3)

式中,U、I、f分别为交流电源的输出电压、输出电流及工作频率;C为等效电容。

金属线和货架层板间的等效电容Cb可以由有限元软件COMSOL仿真获得,建立的模型如图7所示,尺寸和实际装置一样,金属线放置在货架层板中央正上方3.7 cm处,与实际接收装置上的金属线位置基本吻合。

图7 COMSOL仿真层板-金属线间电容Fig.7 COMSOL simulation model of capacitance between shelf laminate and metal wire

2.3 货架层板准无线供电系统电路模型

单接收设备情况下,系统的电路模型如图8所示。其中Lf、Cm分别为发射侧的补偿电感和补偿电容;Lr、Cn分别为接收侧的补偿电感和补偿电容;Rs为电源的等效内阻;RLf、RLr、RCf分别为电感及电容的寄生电阻;RG为接地电阻;R为负载电阻。

图8 单接收电路模型Fig.8 Single receiver circuit model

多接收设备情况下,以双接收为例,电路模型如图9所示。在接收1和接收2电路参数一致的情况下,金属线间的等效电容Co两端电位相等,没有电流流过,因此电路分析时可以忽略。

图9 双接收电路模型Fig.9 Dual-receiver circuit model

3 单接收与多接收模型分析

先以单接收电路模型为对象分析谐振频率,在图8电路模型的基础上进一步简化电路,将Rs和RLf合并为Rp,如式(4)所示。由于集总电容Cm的品质因数较高,故分析系统的谐振频率时,可以近似忽略寄生电阻RCf。接地电阻RG很小,也可忽略,得到简化电路模型如图10所示,其中Cf和Cr为合并后的电容,用诺顿定理进一步等效,结果如图11所示,电流源的值如式(6)所示。图10中:

图10 单接收简化电路Fig.10 Single receiver simplified circuit

图11 诺顿等效电路Fig.11 Norton equivalent circuit

Rp=Rs+RLf

(4)

(5)

(6)

系统存在两个谐振回路,分别是发射回路和接收回路。发射回路并联谐振时,可以升高a、b两点间电压,提高输出功率,但会在电阻Rp上产生较大的损耗。谐振频率为:

(7)

为提高系统的传输能力,应使接收回路并联谐振,谐振频率为:

(8)

因此,尽量保证发射回路和接收回路的谐振频率相同。除电感电容外,谐振频率还受到电阻的影响。理想情况下,取f0作为系统的工作频率,如式(9)所示。此时图11中发射回路和接收回路的并联部分等效阻抗近似达到最大,因此可得到图12近似简化模型,等效电阻如式(10)和式(11)所示。

图12 单接收谐振时简化电路模型Fig.12 Simplified resonant circuit model for single receiver

f0=f1=f2

(9)

(10)

(11)

接收侧的输入电流有效值为:

(12)

系统的传输效率为:

(13)

在电路中的补偿电感电容以及电阻参数确定的情况下,由式(12)可知,当Is恒定时,I0会随着Cy增大而增大,从而提高传输功率;由式(13)可知,系统的传输效率也会随着Cy增大而增大。

当接收设备增加时,默认各个设备的参数一致,发射侧和各个接收侧的LC参数大小仍然保持相同,同时谐振,谐振情况下简化电路如图13所示。

图13 多接收谐振时简化电路模型Fig.13 Simplified resonant circuit model for multi-receivers

Rr1-max=Rr2-max=…=Rrn-max=Rr-max

(14)

Cy1=Cy2=…=Cyn=Cy

(15)

多接收下,系统的传输功率为:

(16)

式中,n为接收设备数量。

假设Rr-max=αRf-max,其中α≈Rp/(R+RLr),则:

(17)

根据经验,对α和η0各取两组值,获得多接收下传输功率和接收设备数量的关系曲线如图14所示。可见,随着接收设备数量增多,系统传输功率有降低的趋势。

图14 不同负载数下的传输功率Fig.14 Transmission power at different load numbers

多接收下,系统的传输效率为:

(18)

由式(18)可知,接收设备数量增多,系统传输效率增大。根据图14和式(18)可推导得出接收设备数量增多,系统的总输入功率降低。

4 输出电压与传输效率电路仿真

为了分析单接收系统的传输特性,获得系统的输出电压、传输效率与系统的工作频率、金属线等效电容之间的关系,根据图8电路模型,在LTspice中建立系统的仿真模型。仿真前需获得相关电路参数。货架层板及金属线参数见表1。

表1 货架层板及金属线参数Tab.1 Shelf laminate and metal line parameters

根据式(1)计算得出货架层板的自有部分电容Cself为18.66 pF。在电源频率为2 MHz的情况下,测量并计算可得电源电压有效值为260～400 V下的等效电容曲线,如图15所示,可取Cx≈38 pF,Cy≈1.5 pF。可见货架层板的等效电容和理论计算的自由部分电容数值相差较大。经COMSOL仿真可得,货架层板和金属线两者间的等效电容Cb≈4 pF。根据《民用建筑电气设计标准》,建筑物各电气系统的接地电阻应符合最小值的要求,不应大于1 Ω,本文取RG=1 Ω。

图15 不同电压下的等效电容Fig.15 Equivalent capacitance at different voltages

所有仿真参数见表2,除部分参数来自于上述实验测量和有限元仿真软件获得外,补偿电感电容以及寄生电阻的值由LCR分析仪测得。

表2 仿真参数Tab.2 Simulation parameters

为了寻找系统的最优工作频率,得到输出电压和传输效率随频率变化的曲线,如图16所示。系统存在两个特征频率f01和f02,在f01处,系统的传输效率最大,输出电压可达8.8 V;f02处,系统的输出电压最大,但此时系统效率过低,因此不采用此频率。

图16 输出电压及传输效率随频率变化曲线Fig.16 Curve of output voltage and transmission efficiency with frequency changing

当频率为f01时系统的输出功率仍然满足为低功率设备供电的要求,因而选取f01作为工作频率。

在工作频率下,仿真得Cy对输出电压及传输效率的影响,如图17所示。可见金属线的等效电容会极大影响系统输出电压和传输效率。Cy容值越大,效率越高,输出电压越高。因此理论上增加接收设备数量以增大等效Cy,可提高系统整体传输性能。

图17 Cy对输出电压及传输效率的影响Fig.17 Effect of Cy on output voltage and transmission efficiency

5 实验研究

为了进行货架层板准无线供电系统的实验研究,搭建了实验装置,如图18所示,元件参数见表3。系统主要由直流电源、高频逆变器、补偿网络、整流桥、金属铝板、金属线以及辅助测量设备(直流指针式电压表)组成。货架的顶层层板采用铝板模拟,接收装置的补偿电感铁心使用的是直径10 mm、长度50 mm的NXO-100镍锌铁氧体磁棒,由于此材料具有多孔性和高电阻率,非常适合在1 MHz以上的高频下使用。

表3 实验用元件参数表Tab.3 Element parameters for experiments

图18 实验系统Fig.18 Experimental system

5.1 单接收实验

实验用的元件参数见表3。发射侧的层板中央位置上放置一个接收设备,接收设备底端铝片与层板直接接触。使用金属氧化膜电阻作为负载,输出功率可通过负载两端的直流电压计算得出。

5.1.1 金属线长度变化实验

负载电阻为R=51 Ω,改变金属线的长度,得到传输功率和效率的变化情况,如图19所示。金属线长度为0,对应接收装置不接金属线的情况。由图19可知金属线长度对传输功率和效率的影响显著,没有金属线时,能量基本无法传输,金属线长度越长,传输的功率越大,效率越高,符合金属线等效电容Cy的仿真规律。当长度为27 cm时,输出功率为1.25 W,满足货架上低功率设备供电的要求,此时效率在9%左右。金属线过长不利于集成,过短会大幅降低传输效率,因此后续实验所选取的金属线长度均为27 cm。

图19 金属线长度对传输功率及效率的影响Fig.19 Effect of metal wire length on transmission power and efficiency

5.1.2 负载电阻变化实验

金属线长度为27 cm,传输功率和效率随负载电阻阻值的变化如图20所示。负载电阻的范围为5～75 Ω,功率和效率先升后降,负载电阻为27 Ω时,传输功率达到最大为2.4 W,此时输出电压为8 V,效率达到最大为11%,因此后续实验采用27 Ω作为负载电阻。

图20 负载电阻变化时的传输功率效率Fig.20 Transmission power and efficiency with load resistance changing

5.1.3 接收设备位置变化实验

负载电阻为27 Ω,金属线长度为27 cm,为探究层板各位置的传输特性,改变接收设备在层板上所处的位置,得到传输功率和效率的变化情况如图21所示。将整个层板区域横向11等分,纵向6等分,共有66个位置。由图21可知,各个位置的传输功率都在2 W以上,靠近层板四角位置的传输能力高于边缘位置,边缘位置的传输能力高于中央位置,在靠近层板四角位置可以获得3 W以上传输功率。

图21 层板上各位置的传输功率Fig.21 Transmission power at each position on plane

同时得到在层板上各位置的传输效率,如图22所示。层板四角位置的传输效率高于边缘位置,边缘位置高于中央位置,与传输功率的规律基本吻合。靠近层板四角位置效率较高,最高可达17%,中央位置效率较低,仅有10%左右。由图23可见,整个层板上90%区域传输效率高于10%,60%区域传输效率高于12%,13.6%区域传输效率高于15%。

图22 层板上各位置的传输效率Fig.22 Transmission efficiency at each position on laminate

图23 层板上传输效率的区域占比Fig.23 Area share of transmission efficiency on laminate

层板的边缘区域传输功率和效率高于中央位置,是由于高频下金属板边缘效应造成的,图24是由COMSOL仿真得到的1 980 kHz时层板电流密度模分布,可见电流主要集中在层板的边缘。

图24 层板电流密度模分布Fig.24 Laminate current density distribution

5.2 多接收实验

直流电源输出电压提高为36 V,其余实验元件参数同表3。负载电阻为27 Ω,金属线长度为27 cm。

5.2.1 接收设备数量变化实验

为了达到较好的传输效果,将接收设备靠层板的一长边放置,从右到左增加接收设备的数量,接收设备间的距离保持均匀。由图25可知,增加接收设备,传输效率提升,总的传输功率呈降低趋势。接收设备为两个时,总传输功率略有上升,为6.69 W,此时效率为22.4%。数量增加为6个,此时接收设备数量在长边方向基本达到饱和,效率达到最大为31.6%,总传输功率降到4.78 W。

图25 不同负载数下的传输功率效率Fig.25 Transmission power and efficiency at different load numbers

六接收设备时的实验效果如图26所示,指针式电压表接在负载电阻两端,两边的接收电压高于中间,电压分布符合图24所示的电流分布规律。最左侧的接收电压高于最右侧的接收电压,是由于接收设备间存在电感电容偏差,无法使所有的接收设备参数完全一致。接收设备的最低电压为3.8 V,接收功率为534 mW,仍满足为货架上的低功率电子设备供电,如电子钟、ESL等。

图26 六接收带载实验Fig.26 Six receivers experiment

由图27知,接收设备数量增加,电源输入电流降低,单接收最高输出电压降低,带载能力下降。接收设备中最高输出电压从单接收时的12.5 V降低到六接收时的5.8 V。同时,系统输入电流也降低到0.42 A,但系统的传输效率近乎提高一倍。

图27 负载增加时的输入电流及最高输出电压变化情况Fig.27 Input current and maximum output voltage change with receiver increasing

5.2.2 接收设备种类变化实验

不同的负载电阻可对应到不同的接收设备,即不同的供电需求,以三接收设备为例,调整负载电阻组合进而探究接收设备种类变化对系统传输能力的影响。其中R=27 Ω为单接收时的最佳负载。

由图28可见,多接收下不同的接收设备组合会影响到系统的传输功率,偏离最佳负载的程度越大,非最佳负载数量越多,系统传输功率下降就越大。

图28 不同负载组合下的传输功率Fig.28 Transmission power under different load combinations

5.2.3 多层应用场景

为探究多层层板对系统传输性能的影响,搭建了双层货架,层板之间用导线连接。调整发射侧的补偿电容Cm,在工作频率基本不变的情况下,测得了两接收设备处于不同层板时,系统的传输功率和传输效率如图29所示。

图29 两接收设备的传输功率和效率Fig.29 Transmission power and efficiency of two receivers

如图29所示,单层:两接收设备置于单层层板上;双层11:两接收设备置于货架顶层;双层12:两接收设备分别置于货架顶层和底层;双层22:两接收设备均置于货架底层。可见,单层货架上的传输性能优于双层货架顶层;双层货架顶层的传输性能优于底层。主要因为货架层板尺寸增大会提高电场辐射损耗;处于中间层的接收设备金属线等效电容Cy减小使传输效率降低;金属线和层板间等效电容Cb增大使接收设备偏离谐振,系统传输性能降低。

在上述实验基础上,将金属氧化膜电阻负载换为额定功率3 W的小型白炽灯,在层板上水平放置四个接收设备,如图30所示,四个小灯泡均可以被点亮,中间的两个接收设备2和3下面放置了一张绝缘纸隔离接收设备底面铝片和层板,电能仍然可以传输。该实验说明,当层板与接收设备无电气连接时,能量仍然可以传输,此时整个系统变为无线电能传输系统。因此可以将准无线电能传输技术拓展应用到无线电能传输领域。

图30 白炽灯实验Fig.30 Incandescent lamp experiment

如图31所示,两接收设备置于上层,两接收设备置于下层,置于上层的白炽灯亮度要高于下层,可见多层货架时顶层的传输效果最好。

图31 双层四接收实验Fig.31 Four receivers experiment on double layer shelf

6 结论

本文针对货架上微功耗电子设备供电/充电需求,提出了一种借助货架金属层板实现准无线供电的新系统。为增大传输能力,提出了小体积金属线耦合器。分析了单接收及双接收系统的全电容耦合模型及谐振频率,建立了多接收下的谐振简化模型。最后,基于所提拓扑搭建了货架层板准无线供电系统样机,实验验证了理论分析的正确性。所提货架准无线供电系统可满足货架层板范围内自由供电/充电,实现了单接收设备时5.8 W的功率传输,最高效率达17%;多接收设备时,各接收设备传输功率均在500 mW以上,最高效率可达31.6%。为使其更好应用于货架,后续可提高工作频率进而缩小金属线尺寸,或者将金属线隐藏于接收设备外壳。同时,需要注意的是产品的安全性和电磁环境问题也不容忽视,未来的研究将围绕这些主题进行改进。