磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率特性

1、磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率特性摘要：磁耦合諧振式無線能量傳輸具有中等傳輸距離、高效非輻射能量等優(yōu)點，本文在闡述磁耦合諧振式無線能量傳輸工作原理的根底上，研究了諧振的頻率對系統(tǒng)性能的影響以及與各個系統(tǒng)參數(shù)之間的關系，主要對線圈電感、線圈固有頻率、品質因數(shù)、傳輸距離與效率等方面進行了探究，并且研究了中距離條件下頻率功率特性曲線，從而在理論上為無線能量傳輸系統(tǒng)中參數(shù)優(yōu)化與實用工程提供了依據(jù)。關鍵詞：無線能量傳輸；磁耦合諧振；諧振頻率中圖分類號：TM724文獻標識碼：A文章編號：2095-8595202105-050-003電子科學技術URL：/china-est DOI：10.16453/j

2、.issn.2095-8595.2021.05.013Abstract：Magneticcouplingresonantwirelesspowertransmissionmediumtransmissiondistance，highefficiencyadvantagesofradiationenergy，thisarticleontheworkingprincipleofthemagneticcouplingresonantwirelesspowertransmission，onthebasisoftheresonancefrequencywillaffecttheperformanceof

3、thesystemisst-udiedandtherelationshipbetweenthesystemparameters，mainlyonthecoilinducta-cecoilnaturalfrequency，qualityfactor，thetransmissiondistanceandefficiency，andsoonhascarriedontheexploration，andstudiestheintermediatefrequencyundertheconditionofpowercharacteristiccurve，whichintheoryforparameterop

4、timizationinwirelesspowertransmissionsystemandprovideabasisforthepracticalengineering.Keywords：WirelessEnergyTransmission；MagneticResonances；ResonanceFrequency引言相比有線能量傳輸，無線能量傳輸具有本錢廉價、適應性好、擴展性好等優(yōu)點，但自特斯拉提出設想來，能量無線傳輸開展較慢，直到2021年，磁耦合無線能量傳輸技術被美國MIT學者正式提出，此后，無線能量傳輸?shù)玫饺澜绶秶鷥鹊膹V泛關注【1】。磁諧振耦合式無線能量傳輸技術可具有傳輸距離較遠、

5、效率較高等優(yōu)點，這使得其應用前景廣闊，不僅可以無線傳感器網(wǎng)絡、無人飛行器、電動充電汽車等方面得到廣泛地應用，在家用電器、工業(yè)機器人、水下作業(yè)、油田礦井等領域也有極大的應用價值。1無線能量傳輸系統(tǒng)的組成磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)主要由初級子系統(tǒng)、磁耦合諧振線圈組和次級子系統(tǒng)三局部組成。其中，初級子系統(tǒng)可看做磁耦合諧振線圈組的逆變調理電路，其主要用于將市電鼓勵源整流后，再進行高頻逆變，產生最利于磁耦合振蕩線圈組諧振的高頻交流電壓；磁耦合振蕩線圈組那么有兩個固有頻率相同的電感線圈一個是發(fā)射線圈，另一個是接受線圈組成，它是整個無限能量傳輸系統(tǒng)的核心，用于將發(fā)射線圈的電能轉化成線圈組之間的交變磁場，再

6、由交變磁場在接受線圈上感應出電能，即從發(fā)射線圈到接受線圈完成電場能-磁場能-電場能的能量變換；次級子系統(tǒng)也看作是整流調理電路，其主要用于將接受線圈上的高頻交流電能進行電能變換后，再供給負載使用。系統(tǒng)工作的具體原理是：磁耦合諧振線圈組的發(fā)射線圈和接受線圈的固有頻率是相同的，給發(fā)射線圈加高頻正弦鼓勵源鼓勵，那么電容和線圈組成的發(fā)射裝置就會高頻振蕩，產生交變磁場；此時，由線圈和電容組成的接受裝置正處于發(fā)射裝置所產生的磁場中，受此交變磁場的鼓勵，接受裝置將在接受線圈線圈中感應出電動勢，如此，即完成了初級、次級子系統(tǒng)的無線能量傳輸。傳輸系統(tǒng)根本框圖可見圖1。2頻率對傳輸距離的影響根據(jù)法拉第電磁感應定律可

7、得，電流的大小和變化率可決定交變磁場的強度。在此系統(tǒng)中，發(fā)射線圈的電流變化率是由初級子系統(tǒng)逆變出的高頻電壓的頻率決定的，而初級子系統(tǒng)中高頻電壓的頻率又是由驅動及開關電路控制信號的頻率決定的，因此，從此方面分析可得：在一定范圍內，系統(tǒng)能量無線傳輸距離與控制信號的開關頻率成正比。而在實際的耦合諧振回路中，諧振頻率和初、次級諧振回路的阻抗特性直接相關。在初級回路接入一個角頻率為的正弦電壓U1，初、次級回路中的電流分別以I1和I2表示，那么初次級回路電壓方程式可寫為式中Z11為初級回路的自阻抗，即Z11=R11+jX11，Z22為次級回路的自阻抗，即Z22=R22+jX22。解上列方程組可分別求出初級

8、和次級回路電流表達式：稱為次級回路對初級回路的反射阻抗；稱為初級回路對次級回路的反射阻抗。而反射阻抗是永遠存在的且是正的，故可得隨著頻率的升高，諧振回路的電流逐漸減小，反而會降低交變磁場的強度，是無限能量傳輸系統(tǒng)的傳輸距離降低。根據(jù)大量實驗可得：線圈可以用于近距離的大功率傳輸，但只有固有頻率較高的線圈才可以用于大功率的遠距離傳輸，可得：在一定范圍內，線圈固有頻率與能量傳輸距離是成正比的。因此，選擇系統(tǒng)諧振頻率時還應考慮線圈固有頻率。3頻率對系統(tǒng)性能的影響3.1系統(tǒng)的頻率特性仿真模型無線能量傳輸系統(tǒng)的仿真裝置主要由高頻逆變器、磁耦合諧振線圈組和負載整流裝置構成。其中，在初級子系統(tǒng)的高頻逆變器后端

9、要串聯(lián)一個電感，使之成為電流型逆變器，以保確輸入磁耦合諧振線圈組的發(fā)射線圈的電流連續(xù)。線圈L1、L2上分別并聯(lián)有電容C1、C2，從而使線圈磁耦合諧振線圈組能夠進入諧振狀態(tài)。磁耦合諧振線圈組的接受線圈的電能經(jīng)整流后供給負載，為保證能量傳輸?shù)男?，在整流橋前端參加了補償單元。為了分析本系統(tǒng)無線能量傳輸?shù)念l率特性，實驗實際上測量的是磁耦合諧振線圈組在不同距離下的實際電感數(shù)值，并以此為實驗數(shù)值，在電路仿真中研究了系統(tǒng)的頻率-功率特性和頻率-效率特性。在本系統(tǒng)中，實際上組成磁耦合諧振線圈組的是2個直徑均為40cm線圈，而且其額定工作頻率均為100kHz，磁耦合諧振線圈組的發(fā)射線圈和接收線圈之間相距25c

10、m，在以市電為鼓勵源時，系統(tǒng)最大輸出功率為3.3kW。在試驗中，依次令磁耦合諧振線圈組的發(fā)射、接受線圈相距15cm、25cm和35cm，并測出不同距離下的線圈參數(shù)，將所測參數(shù)代入建立的仿真模型中，從而分析無線能量傳輸系統(tǒng)在不同距離下的頻率特性。3.2系統(tǒng)的頻率特性仿真結果本次仿真以系統(tǒng)額定工作頻率100kHz為中心頻率向兩邊調節(jié)逆變器輸出電能頻率，直到無線能量傳輸系統(tǒng)效率接近于0，在不同工作頻率下無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率和系統(tǒng)輸出功率，如圖2、圖3、圖4所示。3.3系統(tǒng)的頻率特性仿真結果當磁耦合諧振線圈組發(fā)射線圈和接受線圈之間的距離，即能量無線傳輸?shù)木嚯x為15cm時，本系統(tǒng)的頻率-效率特性曲

11、線大體是一個雙峰的特性，此距離條件下，系統(tǒng)的最大傳輸效率可到80%，屬于過耦合狀態(tài)；能量無線傳輸?shù)木嚯x為25cm時，系統(tǒng)的頻率-效率特性曲線先隨頻率升高而升高，再隨頻率升高而降低，整個特性曲線有一個峰值，再此距離條件下，系統(tǒng)的最大傳輸效率仍可達80%，屬于臨界耦合狀態(tài)；能量無線傳輸?shù)木嚯x為35cm時，系統(tǒng)的頻率-效率特性曲線與能量無線傳輸?shù)木嚯x為25cm時相似，只有一個峰值，但系統(tǒng)最大傳輸效率卻略低于80%，屬于欠耦合狀態(tài)【4】。系統(tǒng)的功率-頻率特性曲線始終有兩個峰值，系統(tǒng)工作在頻率較低的功率峰值時，雖然系統(tǒng)傳輸?shù)墓β瘦^大，但是系統(tǒng)傳輸功率的效率很低，在實際系統(tǒng)中，一般不采用此頻率；系統(tǒng)工作在

12、頻率較高的功率峰值時，系統(tǒng)傳輸能量的效率也較高，選此頻率段傳輸能量比較適宜。當傳輸距離為15cm時，最大功率傳輸頻率為100kHz；當傳輸距離為25cm時，最大功率傳輸頻率為100kHz；當傳輸距離為35cm時，最大功率傳輸頻率為95kHz。據(jù)此可以得出，隨著傳輸距離的變化，最大功率傳輸頻率會發(fā)生適當偏移。系統(tǒng)工作頻率對系統(tǒng)輸出功率的影響比對效率的影響要大得多。以傳輸距離為25cm為例，當系統(tǒng)的工作頻率在95kHz100kHz變化時，傳輸效率變化幅度非常小，但隨著系統(tǒng)工作頻率的提高，系統(tǒng)的輸出功率卻下降的非?？?。3.4實際系統(tǒng)的頻率特性運行結果以仿真模型中電路元器件參數(shù)為準，在搭建實際電路運行

13、時，發(fā)現(xiàn)實際運行結果與仿真模型略有偏差。其中，系統(tǒng)能量傳輸?shù)男事杂邢陆?，當傳輸距離為15cm時，實際最大效率值在78%左右；當傳輸距離為25cm時，實際最大效率值仍可在維持在78%左右；當傳輸距離為35cm時，實際最大效率值那么在75%左右。而系統(tǒng)的傳輸功率下降幅度略有提升。但是實際電路運行效果與仿真模型得出效果比照，雖實際系統(tǒng)能量傳輸?shù)男阅芙档?，但系統(tǒng)頻率運行特性仍滿足上述結論。4結束語本文從實驗、仿真和理論三個方面對磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)做出了研究，并通過理論分析，得出了影響無線能量傳輸性能的因素：線圈的品質因素和固有頻率和傳輸距離；又從仿真實驗得出了系統(tǒng)運行的頻率特性曲線，包括在

14、15cm、25cm和35cm的傳輸距離下的頻率-效率和頻率-輸出功率曲線。在仿真試驗中又得出結論：系統(tǒng)諧振頻率確實定，跟蹤與控制是無線能量傳輸系統(tǒng)需要亟待解決的問題，如何準確、迅速地調節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率將會是未來研究的重點問題。參考文獻【1】鄧凱，廖承林，王麗芳.一種中距離無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率特性J.電工電能新技術，2021，339：09-0035-06.【2】鄒玲，鄭偉，李麗.磁耦合諧振式無限能量傳輸系統(tǒng)頻率特性研究J.湖北工業(yè)大學學報，2021，281：01-0082-04.【3】ImuraT.Studyonmaximumair-gapandefficiencyofmagneticresonantcouplingforwirelesspowertransferu