无线电能传输效率的影响因素研究

张文勇,马彦兵,欧建开,吴常贵

(贵州民族大学 工程实训中心,贵州 贵阳 550025)

1 研究问题

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)是实现电能以非电气接触方式传输到用电设备的技术。WPT通过原、副边设备的非接触能量传输,克服了有线输电过程中线路磨损、漏电、火花放电等问题。WPT能够增强设备对复杂环境的适应能力,具有安全、可靠、灵活、便捷等特点。该技术能够穿透一般的非金属障碍物,在电动汽车、水下设备、医疗植入设备、工业机器人和消费电子产品等领域应用广泛[1-3]。

目前,WPT技术还存在以下问题:(1)在传输效率和功率方面,由于电磁波在传输过程中存在散射、反射和吸收等现象使得接收端能量损失严重,从而导致传输效率和功率低下;(2)在传输距离方面,由于电磁波传输过程中容易受到各种干扰和衰减,使得到达接收端的电磁波衰减较大,传输距离受到很大限制[4-5]。以上问题极大影响了该技术的应用和推广。为此,本文从磁场耦合式技术的电能传输效率和输出功率两方面开展研究,为设计高效可靠的无线电能传输系统提供技术支撑。

2 解决方法及分析

为了研究无线电能传输过程中各影响因素对传输效率、功率的影响,文章使用H桥作为核心电路,以此设计无线电路传输系统,利用该系统对各影响因素进行实验分析。

2.1 电路设计

为探寻磁场耦合式WPT技术中电能传输效率、输出功率的主要影响因素,文章设计了如图1所示的电路结构,线圈左侧为发射端,右侧为接收端。发射端方面:Uin为交流电压输入;L1,C2,D1-D4和C2为整流滤波电路,其功能是将低频交流电转换为直流电;S1-S4为逆变H桥,用于将直流电逆变为高频交流电;C4和L2组成LC串联电路,当H桥逆变频率达到LC的谐振频率时,线圈传输效率达到最大。接收端方面:C5和L3组成接收侧的LC谐振电路,当接收的电磁波频率到达LC谐振频率时接收功率最大;C6、L2、D5-D8和C7为高频滤波整流电路,其作用是将接收到的电磁波转换为直流电供给负载R。

图1 电路结构

控制电路部分主要由MCU、H桥驱动电路、电压电流检查模块和LCD显示组成。MCU是控制电路部分的核心,其功能是根据实时电压电流数据产生占空比可变的H桥驱动信号;电压电流检测模块主要负责实时检测电压电流值,并将检测数据传送MCU处理;H桥驱动模块主要用于增强MCU产生的PWM信号,确保该信号能够有效驱动H桥。

2.2 电路原理分析

磁场耦合式无线电能传输的电路拓扑如图1中a所示。该拓扑主要分为发射端和接收端。在发射端中,Ui为输入电压,Ii为输入电流,Ri、Ci和Li分别为发射端的内阻、补偿电容和谐振电感;在接收端中,Io为输出电流,Ro、Co和Lo分别为接收端的内阻、补偿电容和谐振电感,R为负载电阻。根据电路相关定理,原边电路模型为[6-7]:

(1)

次边电路模型为:

(2)

其中,M为初级线圈和次级线圈之间的互感系数,ω为角频率。

当系统到达谐振状态时,发送端将最大功能传输给接收端,同时接收端为最大功率输出,此时发射端和接收端的阻抗为纯阻性,联立(1)和(2)式可求解出Ii和接收端电流Io,进一步求出发送端输出功率、接收端输出功率和效率分别为:

(3)

(4)

(5)

公式(3)—(5)中输出功率和传输效率除了与Ui、R、Ri、Ro、w有关外,还与互感系数M有关。根据磁耦合理论,互感系数M与耦合系数k之间的关系为:

(6)

公式(6)中,Li,Lo为两线圈的电感值。根据诺以曼公式,对电感线圈之间的互感计算,即

(7)

公式(7)中,l1,l2分别为两线圈周长;dl2,dl1为两线圈环路上任意两线元,θ是两线元所在位置以极坐标描述时的夹角,同时也是两线元矢量的夹角。

根据以上分析,输入电压、负载、谐振频率、线圈间距和圆心差等是影响无线电能传输效率和输出功率的重要因素。综上,本文采用H桥电路作为核心结构来设计无线电能传输系统,通过逐一修改参数的方法研究各因素对无线电能传输效率和输出功率的影响情况,以此获取优化系统的重要参数。

3 实验结果及分析

本文基于图1的电路结构设计无线电能传输系统,结合电路分析结果,对线圈距离、圆心差、谐振频率、负载和输入电压进行实验。实验结果如图2所示。

图2 各因素对输出功率及效率的影响

3.1 线圈距离影响分析

为了验证电路结构中发射线圈和接收线圈之间的距离对系统传输效率和输出功率的影响,本文在实验过程中固定输入频率f=60 kHz、电源电压U=3.000 V、圆心差Δ=0.000 mm,同时依次改变发射线圈和接收线圈的间距d=0.00,0.20,…,2.50,3.00 mm。实验结果显示,当线圈距离从0 mm增加到1 mm时,发射端输出功率变化较小,输出效率稳定,接收端的输出电压和输出电流变化不大;当线圈从1 mm逐渐增加到1.5 mm时,接收端的输出电压和输出电流急剧下降,导致输出功率迅速降低。此时,传输效率也急速下降到几乎为0。

出现以上情况的主要原因是发射线圈产生的电磁场以线圈为中心向外逐渐降低,当线圈距离在0～1 mm范围时,接收线圈处于饱和电磁场范围内,此时接收线圈产生的感应电流几乎相等;当线圈距离大于1 mm时,发射线圈周围电磁场减弱并低于饱和电磁场范围,使得接收线圈感应电流逐渐降低;当距离达到2 mm以后,发射线圈周围电磁场进一步减弱,接收线圈感应电流无法使元器件正常工作,此时输出功率为0,效率传输0%。由此可知,当线圈距离在一定范围内变化时,系统传输效率变化不大,随着距离增加系统传输效率会急剧下降甚至为0。

3.2 圆心差影响分析

为了验证电路结构中发射线圈和接收线圈之间的圆心差对系统传输效率和输出功率的影响,本文在实验过程中固定输入频率f=60 kHz、电源电压U=3.000 V,同时依次改变发射线圈和接收线圈的圆心差Δ=1,2,...,10mm。实验结果显示,当圆心差从0变化到4 mm时,由于发射端输出功率变化较小,从而使得接收端输出电压和电流变化不大,输出效率稳定;当圆心差在4～7 mm时,接收端输出电压和输出电流急剧下降,导致输出功率迅速降低,此时传输效率也急速下降到几乎为0;当圆心差大于7 mm时,接收端输出功率几乎为0,输出效率为0%。以上实验表明,当发射和接收线圈正对齐且在一定误差范围内时,系统有最大功率和效率输出,随着圆心差越来越大,输出功率和效率会逐渐下降,圆心差增大到一定值时,输出功率和效率为0。

3.3 频率影响分析

为了验证电路结构中谐振频率对系统传输效率和输出功率的影响,本文在实验过程中设定电源电压U=3.000 V,同时使用MCU依次产生f=30,40,...,100 kHz的驱动频率。实验结果显示,当驱动频率在50～90 kHz时,系统有功率输出;驱动频率在60 kHz左右时系统有最大功率和效率输出;驱动频率在60 kHz两边逐渐增加或减小时,系统输出功率逐渐降低;驱动频率小于50 kHz和大于90 kHz时,系统无功率输出。以上实验表明,发射线圈和补偿电容组成的谐振网络存在谐振频率点,系统频率与谐振频率接近时能有最大功率和效率输出。

3.4 负载影响分析

为了验证电路结构中接收端负载对系统传输效率和输出功率的影响,本文在实验过程中设定电源电压U=3.000 V,然后依次改变负载R=10,20,...,90 Ω。实验结果显示,当负载从10 Ω增加到90 Ω时,接收端输出电压恒定不变,输出电流逐渐减小,从而使得输出功率和传输效率也逐渐减小。实验表面,接收端输出功率和传输效率随电阻的增加而减小。

3.5 输入电压影响分析

为了验证电路结构中发射端输入电压对系统传输效率和输出功率的影响,本文在实验过程中固定输入频率f=60 kHz、圆心差为0,并依次改变发射端输入电压U=3,4,...,12 V,然后测量电源电流I、输出电流U、输出电压Uo、输出功率Po,随后计算输入功率Pi、传输效率η,最后进行数据分析,所得数据如表1所示。

表1 输入电压对各性能参数的影响

如表1所示,当发射端输入电压从3V增加到8V时,接收端输出电压大幅增加,输出电流缓慢增加,接收端输出功率和输出效率快速增大;当发射端输入电压大于8 V后,接收端输出电压和输出电流缓慢下降,输出功率和输出效率也随之缓慢下降。以上实验表明,当发射端输入电压到达某阈值后,系统输出功率和传输效率变化不大。

在系统其他参数不变的情况下,依次分析线圈距离、圆心差、频率、负载和输入电压对系统的影响时发现:线圈距离、圆心差对系统输出功率和传输效率有类似的影响效果,即线圈距离或圆心差逐渐增加时,在一定范围内输出功率和效率小幅度变化,线圈距离或圆心差超过某个临界值时输出功率和效率急剧减小;当驱动频率在系统谐振频率附近变化时,在谐振频率处输出功率和传输效率最大,随着驱动频率增大或减小,接收端输出功率和效率逐渐减小;当接收端负载逐渐增大时,系统输出功率和传输效率逐渐减小;当发射端输入电压逐渐增大时,系统输出功率和传输效率在一定范围内逐渐增大,当到达一个临界值时会出现小幅度下降。

4 结语

本文基于电学和电磁学理论梳理了WPT的相关数学模型,采用H桥作为系统电路核心模块,通过嵌入式开发作为系统电路控制单元,以此设计无线电能传输系统。通过对影响系统传输效率和输出功率的线圈距离、圆心差、输入频率、负载和电源电压等因素进行研究,得出了各影响因素对磁场耦合式技术传输效率和功率的影响情况,为后期设计大功率无线电能传输系统提供技术保障。