低頻磁耦合無線電能傳輸系統中諧振補償電路研究

沈承舒

(貴陽學院 電子信息工程學院,貴州 貴陽 550005)

無線電能傳輸技術主要包括磁場耦合式、電場耦合式、微波式、激光式和超聲式五大類,可實現不同距離和功率等需求的能量傳輸。[1]在低頻無線電能傳輸系統中核心原理是運用磁耦合諧振技術實現電能的無線傳輸。磁場耦合諧振器補償的作用尤為重要,磁耦合諧振器補償電路起到了優化系統的功率傳輸能力和降低電源容量需求的重要作用。[2]為掌握補償電路對磁耦合無線電能傳輸系統傳輸效率的影響,本文擬對不同補償方式下電能傳輸的效率進行測試,便于后續研究及電路設計。

1 磁耦合諧振電路補償原理

電磁共振式無線電能傳輸電路大多數是基于線圈兩端加補償電容的形式。[3]如圖1所示,根據補償電容的連接方式不同,分為發射側和接收側。同時串聯電容,稱為串-串聯諧振方式(S/S);發射側串聯電容,接收側并聯電容,稱為串-并聯諧振方式(S/P);發射側和接收側同時并聯電容,稱為并-并聯諧振方式(P/P);發射側并聯電容,接收側串聯電容,稱為并-串聯諧振方式(P/S);發射側和接收側同時加LC補償,稱為LCL-LCL諧振方式,發射側和接收側同時加LCC補償,稱為LCC-LCC諧振方式。

圖1 無線電能傳輸電磁共振式諧振電路拓撲結構

補償回路中存在電感和電容,當電源頻率變化時,電路的感抗和容抗將隨著頻率變化,從而導致電路的工作狀態隨著頻率變化。在含有電阻、電感和電容的交流電路中,傳輸電路的兩端電壓與其電流一般是不同相的,如果調節電路參數或電源頻率,使電流與電壓同相,則電路工作在諧振狀態,電路呈電阻性。

1.1 串聯補償原理

串聯諧振補償電路如圖2所示,補償電容C和傳輸線圈等效電感L串聯,電阻R為回路等效電路電阻。

圖2 RLC串聯補償電路

由向量法則可知,圖2中回路的輸入阻抗為：

(1)

串聯諧振頻率特性為：

(2)

則回路輸入阻抗可變換為：

(3)

1.2 并聯補償原理

并聯補償電路如圖3所示,補償電容C和傳輸線圈等效電感L并聯,電阻R可等效為負載電阻。

圖3 RLC并聯補償電路

電路中流過電感L和電容C的電流分別為：

(4)

信號源輸出總電流為：

(5)

則電路的總阻抗為：

(6)

2 不同補償方式下無線電能傳輸的測試

無線電能傳輸系統因分為發射部分和接收部分,如圖1所示,根據補償電容的連接方式不同,本次測試針對串-串聯諧振方式(S/S)、串-并聯諧振方式(S/P)、并-并聯諧振方式(P/P)和并-串聯諧振方式(P/S)進行試驗測試。以下測試數據中C為補償電路諧振電容,Vi為發射端線圈電壓,Ii為發射端線圈電流,Vo為接收端線圈電壓,Io為接收端線圈電流,Wi為發射端發射功率,Wo為接收端耦合功率,η為傳輸效率。

2.1 串-串聯補償諧振方式(S/S)測試

測試原理圖如圖1(a)所示,發射端與接收端均采用串聯補償的方式,實驗發射頻率為95 KHz,傳輸距離為1 cm。發射線圈線徑為0.1 mm,匝數為5匝,電感為12.65 μH,內阻為0.105 Ω。接收線圈線徑為0.1 mm,匝數為5匝,電感為12.89 μH,內阻為0.102 Ω,負載為10.6 Ω。當同時改變補償電容從0.22 μF至3.3 μF時,實測數據如表1所示。

表1 串-串聯補償諧振電路改變補償電容實測數據表

當補償電容取值為1 μF時,實測波形如圖4所示。

圖4 串-串聯諧振補償下各測試點電壓波形圖

2.2 串-并聯補償諧振方式(S/P)測試

測試原理圖如圖1(b)所示,發射端采用串聯補償方式,接收端采用并聯補償的方式。系統參數與串-串聯相同,系統傳輸測試數據如表2所示。

表2 串-并聯補償諧振電路改變補償電容實測數據表

當補償電容取值為1μF時,實測波形如圖5所示。

圖5 串-并聯諧振補償下各測試點電壓波形圖

2.3 并-串聯補償諧振方式(P/S)測試

測試原理圖如圖1(c)所示,發射端采用并聯補償方式,接收端采用串聯補償的方式。系統參數與串-串聯相同,系統傳輸測試數據如表3所示。

表3 并-串聯補償諧振電路改變補償電容實測數據表

當補償電容取值為1 μF時,實測波形如圖6所示。

圖6 并-串聯諧振補償下各測試點電壓波形圖

2.4 并-并聯補償諧振方式(P/P)測試

測試原理圖如圖1(d)所示,發射端與接收端均采用并聯補償方式。系統參數與串-串聯相同,系統傳輸測試數據如表4所示。

表4 并-串聯補償諧振電路改變補償電容實測數據表

當補償電容取值為1 μF時,實測波形如圖7所示。

圖7 并-并聯諧振補償下各測試點電壓波形圖

3 結論

對低頻磁耦合式無線電能傳輸系統的諧振補償電路進行理論分析,并在補償電容分別采用串-串聯(S/S)、串-并聯(S/P)、并-串聯(P/S)、并-并聯(P/P)連接時對系統的傳輸參數進行實驗測試,并得到系統的傳輸效率。根據傳輸效率的數據顯示,不同補償方式下,補償電容的取值也會對系統造成一定的影響,不同的系統參數需要匹配適合系統的補償方式及補償電容。