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1、品質因數(shù)與共振頻率對無線電能傳輸?shù)挠绊? 摘 要： 諧振耦合式無線電能傳輸技術是一種新興電能傳輸方式，提高傳輸功率和效率 已成為其應用發(fā)展的瓶頸問題。通過仿真與實驗探究了提高頻率和改善線圈參數(shù)兩種不同提 高系統(tǒng)品質因數(shù)的方法對能量傳輸效率、功率與傳輸距離之間的影響規(guī)律。結果表明，提高 系統(tǒng)共振頻率可明顯提高系統(tǒng)能量有效傳輸距離，但導致最高輸出功率明顯下降，而對傳輸 效率影響不明顯；改善線圈參數(shù)可顯著提高最高輸出功率，而對輸出效率和有效傳輸距離影 響不明顯。系統(tǒng)頻率響應仿真與實驗結果顯示，小幅偏離共振頻率點引起輸出功率急劇下降。 系統(tǒng)共振頻率隨接收端與發(fā)射端間耦合系數(shù)增加出現(xiàn)分裂現(xiàn)象，造成能量傳

2、輸功率下降。 關鍵詞： 諧振耦合；品質因數(shù)；頻率響應；頻率分裂 0 引言 無線電能傳輸概念最早由尼古拉?特斯拉提出并開展實驗研究［1］。與傳統(tǒng)的有線供電技 術相比［2］，無線電能傳輸可實現(xiàn)電源與用電負載間完全的電氣隔離，避免接觸放電等安全隱 患，具有安全、可靠、靈活等無可比擬的優(yōu)點［3］。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，無線電能已衍生微 波、無線電波、激光、超聲波等輻射傳輸模式和電磁感應、諧振耦合兩種非輻射傳輸模式［4］， 它們都有各自的優(yōu)缺點［5-6］。 電磁感應式是過去二十幾年來無線電能傳輸技術發(fā)展的主要形式，目前已有電動牙刷、 電動剃須刀等商業(yè)化產(chǎn)品推向市場。雖然感應式無線電能傳輸?shù)男室话?/p>

3、較高，能達到 80% 甚至90%,但其傳輸距離很短，使其不能滿足最廣泛的應用需求；在此背景下，MIT的Marin Soljacic教授團隊提出利用磁共振耦合方式提高傳輸距離的思想，先后實現(xiàn)了 2 m、60 W至 5 m、 800 W 的無線能量傳輸［7］，從而掀起了磁諧振耦合式無線電能傳輸技術的研究熱潮。 相較電磁感應傳輸模式，該模式有效能量傳輸距離明顯提高，已進入中程距離的傳輸范圍， 應用范圍將更加廣泛，但其傳輸效率和功率存在較大下降，效率僅能達到 40%左右,且隨著傳 輸距離的增加而急劇下降。因此，如何有效提高傳輸功率和效率，是目前磁諧振耦合無線電 能傳輸技術的發(fā)展瓶頸。對此技術的研究無論

4、是在國內(nèi)還是在國際上目前仍處于起步階段， 耦合模理論［8-9］、電路理論［10］等理論模型已相繼指出保證諧振系統(tǒng)工作在共振頻點附近是 系統(tǒng)進行高效率能量傳遞的基本條件，在其基礎上提高品質因數(shù)可提高系統(tǒng)傳輸效率。 本文采用電路理論及仿真技術分析了提高共振能量傳輸效率的方法，并通過實驗對提高 頻率和改善線圈參數(shù)兩種不同提高系統(tǒng)品質因數(shù)的方法對能量傳輸效率、功率與傳輸距離之 間的影響規(guī)律，這對于合理設計線圈參數(shù)和驅動電路具有十分重要的指導價值。最后通過頻 率響應和頻率分裂的仿真分析揭示了系統(tǒng)工作在共振頻率點的重要性。 1 理論分析 諧振耦合式無線電能傳輸通過具有相同諧振頻率的兩個線圈共振實現(xiàn)電

5、能傳輸，工作過 程為：發(fā)射電路產(chǎn)生高頻信號供給發(fā)射線圈，線圈中交變電流在諧振體(線圈加外接電容) 周圍產(chǎn)生高頻交變磁場；當接收線圈與發(fā)射線圈的諧振頻率一致時，接收線圈與發(fā)射線圈產(chǎn) 生共振，線圈之間開始能量傳遞；負載電路把接收線圈中的能量轉換為適合負載工作的電壓。 諧振系統(tǒng)可分為串聯(lián)諧振方式與并聯(lián)諧振方式，與電磁感應耦合相同，諧振耦合按電容的接 入方式可分為SS、SP、PS、PP 4種［11］。本文以SS型為例進行分析。圖1為相應的等效電 路圖。其中R1、R2、C1、C2都為線圈在高頻下的寄生參數(shù)，L1、L2為線圈的電感量，Rs為 驅動電路等效電阻，RL為負載的電阻值。 兩線圈諧振時諧振角頻率

6、?棕=(L1C1)-1/2=(L2C2)-1/2。列KVL方程推導出［12-13］接收 端的功率與效率： 其中發(fā)射端與接收端的耦合系數(shù)為:=M(L1L2)-1/2,電路品質因數(shù)為：1=wL1(RS+R1)-1, Q2=wL2(R2+RL)-1。 M 為兩線圈之間的互感［14］，當兩端的線圈采用密繞空心線圈，可用下面的互感公式計 算系統(tǒng)兩端的互感： 其中，真空磁導率，Nl、N2為收發(fā)線圈的匝數(shù)，rl、r2為收發(fā)圈的半徑，D為兩線圈之 間的距離。 計算 dPL/dk=O，得［15］： 即當 k=Ko 時，系統(tǒng)達到耦合臨界點，此時的輸出功率為系統(tǒng)的最大值。其中從 k=M(L1L2)-1/2

7、式中可以看出k與D3成反比，即Ko值越小，同等的輸出功率下傳輸距離越 遠；從 Ko 式可看出提高系統(tǒng)的 Q 值可以減小在最大功率點的耦合系數(shù)，也就是使最大功率出 現(xiàn)點的距離增加，而在相同的距離下提高輸出功率進而提高系統(tǒng)的傳輸效率。 2 仿真與實驗 用電路軟件繪制的等效電路圖并進行仿真。根據(jù)表1 所示，通過提高諧振頻率或者改變 線圈參數(shù)所得到的系統(tǒng)品質因數(shù)，得出的不同Q值對輸出功率影響的曲線圖。 對參數(shù)進行合理配置，保證在改變系統(tǒng)諧振頻率時電路參數(shù)不變，而在改變線圈參數(shù)時 系統(tǒng)頻率不變，給發(fā)射端線圈提供20 V的穩(wěn)壓電源。測量在提高系統(tǒng)諧振頻率和增加線徑后 的接收端的輸出電壓，并計算出對應

8、的輸出功率繪制圖2(b)。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，不同方 式改善的Q值具體值如表2所示。 圖2給出了通過提高諧振頻率增加電路Q值和通過增加線圈線徑提高線圈Q值對輸出功 率的影響。從圖2(a)的初始系統(tǒng)曲線可知，初始系統(tǒng)的最高輸出功率為3.2 W,最高輸出功 率點在3.53 cm處；用提高工作頻率的方法把電路的Q值提高后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的最高輸出功率 點右移到4.1 cm,但最高輸出功率降為2.5 W，這與頻率增加導致的線圈等效阻抗增加有關； 改變繞制線圈的線徑來提高線圈的Q值，從增加線徑曲線可知,最高輸出功率提高到3.46 W， 但最高功率發(fā)生點左移到3.1 cm。 從圖2(a)中還可以看出3種不同

9、Q值的電路最大輸出功率對應的距離分別為3.5 cm、4.1 cm、3.1 cm，由此算的Ko值分別為0.24、0.09、0.337，這與式(3)的計算相符。 從圖2(b)中可以看出，3種不同Q值對應的輸出功率曲線與仿真曲線基本相符，但輸出 功率比圖3(a)中的整體偏小，分析原因是由于具體實驗測試中存在接觸電阻，而在仿真中這 些不可控的因素沒有考慮在內(nèi)而造成的。同時在具體實驗中線圈采用手工繞制，使發(fā)射端與 接收端的線圈電感有些不可忽略的偏差，而且線圈的電感和空載Q值是測量值，會有一定的 誤差，這都是造成實驗不如仿真理想的原因。 從式(2)中效率與k的關系式中可知效率是耦合系數(shù)k的遞減函數(shù)［1

10、3］,即隨著k的減 小而減小。而k與距離D3成反比，所以系統(tǒng)效率是隨距離增大而減小的，這種理論結果在仿 真中得到了驗證，。圖 4中仿真曲線是仿真的頻率響應曲線，從圖中可知系統(tǒng)的共振頻率點為 668 kHz，共振頻率點的輸出功率為3.2 W；實驗中共振頻率點為648 kHz，最高輸出功率為 2.1 W；仿真與實驗間的共振頻率點之間的差異是由于在實際的工作電路電通電后器件在工 作中產(chǎn)生的熱量會使器件的值發(fā)生漂移,同時密繞的線圈一般忽略線圈自身分布電容,但實際 上還是對電路諧振頻率有一定影響。圖4證明本系統(tǒng)能量傳輸是基于共振而不是傳統(tǒng)的電磁 感應。 文獻［9］提到當k> ;Ko,即當耦合系數(shù)大

11、到一定值時，接收端負載電壓的頻率響應特性 會出現(xiàn)兩個峰值點，而在原固有頻率點出現(xiàn)凹谷。同時當Q1HQ2時，需滿足 k/Ko三［l/2(Ql/Q2+Q2/Ql)］l/2時才會出現(xiàn)頻率分裂，文章中發(fā)生頻率分裂時的耦合系數(shù)值 k=0.42,此時峰值高度下降,。在仿真中也觀測到頻率分裂現(xiàn)象，出現(xiàn)頻率分裂的峰谷下降(在 本系統(tǒng)中Q1HQ2),這驗證了文獻的理論分析。且當兩端品質因數(shù)相差越大時，發(fā)生頻率分 裂后峰值下降幅度增大。 在實際的實驗裝置中，左邊是用多股漆包線制的半徑為3.5 cm的基本線圈，右邊是大線 徑的漆包線繞制的高Q值的線圈。 綜上分析得知，雖然系統(tǒng)傳輸效率隨著耦合系數(shù)k增加而單調(diào)增加

12、，但傳輸功率卻有個 最大值。所以并不是k越大越好，當k大于一定值時會產(chǎn)生頻率分裂，導致系統(tǒng)失諧，使傳 輸功率急速降低。另外用提高頻率的方式提高系統(tǒng)品質因數(shù)Q值可以獲得比較好的效率，提 高最大功率點的傳輸距離，但最高輸出功率下降，這與頻率增加使系統(tǒng)的高頻等效電阻增加 有關;改變線圈參數(shù)提高系統(tǒng)Q值有較好的最大輸出功率，但效率有所降低，這是因為本文采 用增加線徑方式提高線圈Q值，在相同頻率下線圈的等效電阻比原來小，也就是減小了公式 中 R1、R2 的值，這使系統(tǒng)的輸出功率增加。在實際的設計中要考慮到這一點，根據(jù)實際需要 權衡好輸出功率與效率的關系，優(yōu)化參數(shù)，在保證輸出功率和傳輸距離的同時兼顧傳輸效

13、率。 系統(tǒng)偏離共振頻率點會造成系統(tǒng)傳輸能力急劇下降，且當系統(tǒng)兩端的偶合系數(shù)大于一定值時， 會發(fā)生頻率分裂，這會影響系統(tǒng)能量的有效傳輸，特別是當兩端的品質因數(shù)不相同時，頻率 分裂的同時伴隨著峰值的下降，可以通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)使系統(tǒng)的臨界耦合系數(shù)Ko大于1,這 可以有效地預防系統(tǒng)頻率分裂的發(fā)生，因為系統(tǒng)在實際工作中耦合系數(shù)的最大值也不超過1。 3 結語 本文介紹了諧振耦合式無線電能傳輸技術的基本原理和在實際應用中的優(yōu)勢，通過提高 頻率和改變線圈參數(shù)兩種提高系統(tǒng)品質因數(shù)方法對系統(tǒng)輸出功率和效率的影響進行分析，并 對產(chǎn)生這種影響的原因作了探討。由于諧振耦合式無線電能傳輸技術是基于共振，仿真與實 驗都表明保證系統(tǒng)工作在共振頻率點是實現(xiàn)能量高效傳輸?shù)年P鍵，同時在仿真試驗中觀察到 頻率分裂現(xiàn)象，通過分析提出了防止頻率分裂的方法。通過以上的仿真與實驗分析，對如何 優(yōu)化參數(shù)實現(xiàn)諧振耦合式無線電能的高效傳輸具有一定的借鑒意義。