用于貨架電子設備的準無線電能傳輸技術

趙錦輝, 陳希有, 金 鑫, 于峰權

(大連理工大學電氣工程學院, 遼寧 大連 116024)

1 引言

近年來,商業智能零售的概念開始普及。如此一來,諸如電子貨架標簽(Electronic Shelf Label,ESL)類的電子顯示屏設備開始走進公眾視野,如圖1所示。ESL是一種可替代傳統紙質標簽的智能顯示裝置,每個ESL通過網絡與云端連接,可以將最新的商品價格信息實時更新顯示,幫助商家省去了大量時間和人力成本更換紙質商品標簽。目前ESL采用一次性電池供電,存在更換繁瑣的問題,并且廢棄電池會破壞自然環境。因此,將ESL的電池更換為可充電電池,使其夜晚無人期間在貨架上自主充電是一種更好的方案。電池充電分為有線式和無線式,有線式是通過導線將貨架上的電源與ESL連接,供電穩定但貨架需要較大的改造,同時ESL的位置受限于電源的范圍,無線式采用無線電能傳輸技術或準無線電能傳輸技術,通過電磁場傳輸能量,無需導線連接電源和ESL,提高了供電的靈活性。

圖1 電子貨架標簽Fig.1 Electronic shelf label

無線電能傳輸技術在生活中有廣泛的應用[1],主要有磁場式和電場式兩種。磁場式利用發射側線圈產生的交變磁場實現能量傳遞[2-4]。電場式通常利用發射側和接收側兩對極板間的高頻電場傳遞電能[5],但也有利用單對極板間的耦合傳輸電能[6-9]。同時,還存著一種介于雙線和無線之間的單線電能傳輸技術,利用單根導線和空間電場將能量從發射側傳輸到接收側[10,11]。單根導線在一定條件下可以被環境中的金屬導體替代,例如鋁板、金屬貨架等,達到“無線”狀態,從而實現準無線電能傳輸。準無線電能傳輸技術不同于傳統的單線電能傳輸技術,因為金屬物體的電氣特性和單根導線存在差別,不能將其簡單視為導線,所以通過接觸實現能量傳輸是介于“有線”和“無線”的中間狀態。

電子設備接觸到發射側導電金屬就可以接收到能量,這種電能傳輸技術不需要復雜的耦合機構,大幅提高了供電的靈活性。對于二維區域內的無線供電技術,采用磁場式,發射側需要一個大的平面線圈,成本較高,且不同位置處的耦合參數不同,為多個負載供電時,電路模型更為復雜[12,13]。采用電場式,發射側為兩極板時,受限于極板的對準,接收側僅可在一個方向有較大移動自由度[14,15];發射側為單個極板時,接收側極板可以在二維平面內自由移動,但目前的研究少有將負載近距離放置在發射側極板上,仍是負載遠離發射側極板[16]。利用準無線電能傳輸技術,接收設備與發射側單極板接觸即可實現供電,接收側可自由移動,文獻[17]接收側利用諧振線圈傳能,但存在體積過大問題。

磁場的建立需要電流形成閉合回路,通常使用閉合線圈作為耦合機構進行引導。電場的建立需要電勢差,無需閉合回路,導體所到之處,周圍都可以建立電場,故借助孤立導體便可以引導。借助貨架的導體部分,通過電子設備與導體接觸,就可以傳輸能量,這種準無線電能傳輸方式在滿足無線供電的同時還將大幅降低發射側的成本和復雜性,并提高了用電設備供電的靈活性。本文針對貨架金屬頂層層板上設備的供電需求,以準無線的方式實現了為多個低功率(mW～W級別)電子設備供電,設計的小體積接收裝置利于內置到電子設備。后續出現的貨架層板,其材質默認為是導電性優良的金屬,表面無絕緣涂層,且與貨架金屬支柱處于非連接狀態。

2 貨架層板準無線供電系統的結構與建模

本文設計的貨架層板上低功率電子設備的供電示意圖如圖2所示。發射電源通過導線連接到圖2中貨架層板,接收裝置由導電底板、PCB電路板及金屬線構成,金屬線接入上層的PCB板。

圖2 貨架供電示意圖Fig.2 Shelf to power electronic devices

2.1 貨架層板準無線供電系統結構

貨架層板準無線供電系統結構如圖3所示,其中Edc為直流電源,S1～S4為4個組成高頻逆變器的GaN開關管。發射側是由補償電感Lf、補償電容Cm和貨架層板構成,接收側主要由LC補償電路、整流橋、金屬線、鋁片底座和負載電阻構成。其中Lr1、Cn1、R1和Lr2、Cn2、R2分別為兩個接收設備的補償電感、補償電容、負載電阻。直流電源經過高頻逆變器后產生高頻交流電,經LC補償網絡升壓后在貨架層板上產生高頻高壓,接收設備放置在貨架層板上,鋁片底座接入接收側的LC補償電路,鋁片底座與貨架層板接觸實現電路短接,接收側電路的另一端接金屬線,通過金屬線與周圍環境耦合產生的位移電流構成回路,實現電能的準無線傳輸。

圖3 貨架層板準無線供電系統結構圖Fig.3 Structure of shelf laminate quasi-wireless power supply system

2.2 電場耦合部分電路模型

貨架層板和金屬線分別是接入發射側和接收側的孤立導體,均存在對大地自有部分電容Cself和對周圍環境的雜散電容,Cself主要與導體的形狀和大小有關。導體周圍環境可近似視為和大地的電勢相同,統稱為導體的等效電容。在此基礎上,可以確定貨架層板、金屬線和大地間的電場耦合關系,如圖4所示。圖4中,Cx為貨架層板等效電容,Cy、Cy1、Cy2為金屬線等效電容,Cb、Cb1、Cb2為金屬線和貨架層板間等效電容,Co為兩個金屬線間等效電容。從而可得系統電場耦合部分電路模型如圖5所示。

圖4 電場耦合示意圖Fig.4 Electric field coupling diagram

圖5 電場耦合電路模型Fig.5 Electric field coupling circuit model

貨架層板的自有部分電容Cself根據文獻[18],可以將其等效為一個待定半徑圓盤的電容進行計算,其所推導的平板電容公式為:

(1)

式中,l為平板的周長;S為平板的面積;ε0為真空介電常數,ε0=8.854 187 817×10-12F/m。

實際實驗環境中,貨架層板不可能處于空曠的場所,等效電容中,與周圍環境間的雜散電容不可忽略。雜散電容是無法單獨計算或使用有限元軟件精確仿真得到,因此,對于貨架層板以及金屬線的等效電容參數獲取,可采用實驗測量的方法間接獲得。交流電源的一端接貨架層板,另一端接大地。測量金屬線等效電容時,將金屬線豎直放置在貨架層板中央,兩者短接,使用電流探頭測得流入貨架層板的總電流Is。兩者的測量電路如圖6所示。根據式(2),可求得貨架層板等效電容Cx和兩者總的等效電容Cz。進而根據式(3),求得金屬線的等效電容Cy。

(2)

圖6 等效電容測量電路Fig.6 Measurement circuit for equivalent capacitance

Cy=Cz-Cx

(3)

式中,U、I、f分別為交流電源的輸出電壓、輸出電流及工作頻率;C為等效電容。

金屬線和貨架層板間的等效電容Cb可以由有限元軟件COMSOL仿真獲得,建立的模型如圖7所示,尺寸和實際裝置一樣,金屬線放置在貨架層板中央正上方3.7 cm處,與實際接收裝置上的金屬線位置基本吻合。

圖7 COMSOL仿真層板-金屬線間電容Fig.7 COMSOL simulation model of capacitance between shelf laminate and metal wire

2.3 貨架層板準無線供電系統電路模型

單接收設備情況下,系統的電路模型如圖8所示。其中Lf、Cm分別為發射側的補償電感和補償電容;Lr、Cn分別為接收側的補償電感和補償電容;Rs為電源的等效內阻;RLf、RLr、RCf分別為電感及電容的寄生電阻;RG為接地電阻;R為負載電阻。

圖8 單接收電路模型Fig.8 Single receiver circuit model

多接收設備情況下,以雙接收為例,電路模型如圖9所示。在接收1和接收2電路參數一致的情況下,金屬線間的等效電容Co兩端電位相等,沒有電流流過,因此電路分析時可以忽略。

圖9 雙接收電路模型Fig.9 Dual-receiver circuit model

3 單接收與多接收模型分析

先以單接收電路模型為對象分析諧振頻率,在圖8電路模型的基礎上進一步簡化電路,將Rs和RLf合并為Rp,如式(4)所示。由于集總電容Cm的品質因數較高,故分析系統的諧振頻率時,可以近似忽略寄生電阻RCf。接地電阻RG很小,也可忽略,得到簡化電路模型如圖10所示,其中Cf和Cr為合并后的電容,用諾頓定理進一步等效,結果如圖11所示,電流源的值如式(6)所示。圖10中:

圖10 單接收簡化電路Fig.10 Single receiver simplified circuit

圖11 諾頓等效電路Fig.11 Norton equivalent circuit

Rp=Rs+RLf

(4)

(5)

(6)

系統存在兩個諧振回路,分別是發射回路和接收回路。發射回路并聯諧振時,可以升高a、b兩點間電壓,提高輸出功率,但會在電阻Rp上產生較大的損耗。諧振頻率為:

(7)

為提高系統的傳輸能力,應使接收回路并聯諧振,諧振頻率為:

(8)

因此,盡量保證發射回路和接收回路的諧振頻率相同。除電感電容外,諧振頻率還受到電阻的影響。理想情況下,取f0作為系統的工作頻率,如式(9)所示。此時圖11中發射回路和接收回路的并聯部分等效阻抗近似達到最大,因此可得到圖12近似簡化模型,等效電阻如式(10)和式(11)所示。

圖12 單接收諧振時簡化電路模型Fig.12 Simplified resonant circuit model for single receiver

f0=f1=f2

(9)

(10)

(11)

接收側的輸入電流有效值為:

(12)

系統的傳輸效率為:

(13)

在電路中的補償電感電容以及電阻參數確定的情況下,由式(12)可知,當Is恒定時,I0會隨著Cy增大而增大,從而提高傳輸功率;由式(13)可知,系統的傳輸效率也會隨著Cy增大而增大。

當接收設備增加時,默認各個設備的參數一致,發射側和各個接收側的LC參數大小仍然保持相同,同時諧振,諧振情況下簡化電路如圖13所示。

圖13 多接收諧振時簡化電路模型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,系統的傳輸功率為:

(16)

式中,n為接收設備數量。

假設Rr-max=αRf-max,其中α≈Rp/(R+RLr),則:

(17)

根據經驗,對α和η0各取兩組值,獲得多接收下傳輸功率和接收設備數量的關系曲線如圖14所示?？梢?隨著接收設備數量增多,系統傳輸功率有降低的趨勢。

圖14 不同負載數下的傳輸功率Fig.14 Transmission power at different load numbers

多接收下,系統的傳輸效率為:

(18)

由式(18)可知,接收設備數量增多,系統傳輸效率增大。根據圖14和式(18)可推導得出接收設備數量增多,系統的總輸入功率降低。

4 輸出電壓與傳輸效率電路仿真

為了分析單接收系統的傳輸特性,獲得系統的輸出電壓、傳輸效率與系統的工作頻率、金屬線等效電容之間的關系,根據圖8電路模型,在LTspice中建立系統的仿真模型。仿真前需獲得相關電路參數。貨架層板及金屬線參數見表1。

表1 貨架層板及金屬線參數Tab.1 Shelf laminate and metal line parameters

根據式(1)計算得出貨架層板的自有部分電容Cself為18.66 pF。在電源頻率為2 MHz的情況下,測量并計算可得電源電壓有效值為260～400 V下的等效電容曲線,如圖15所示,可取Cx≈38 pF,Cy≈1.5 pF?？梢娯浖軐影宓牡刃щ娙莺屠碚撚嬎愕淖杂刹糠蛛娙輸抵迪嗖钶^大。經COMSOL仿真可得,貨架層板和金屬線兩者間的等效電容Cb≈4 pF。根據《民用建筑電氣設計標準》,建筑物各電氣系統的接地電阻應符合最小值的要求,不應大于1 Ω,本文取RG=1 Ω。

圖15 不同電壓下的等效電容Fig.15 Equivalent capacitance at different voltages

所有仿真參數見表2,除部分參數來自于上述實驗測量和有限元仿真軟件獲得外,補償電感電容以及寄生電阻的值由LCR分析儀測得。

表2 仿真參數Tab.2 Simulation parameters

為了尋找系統的最優工作頻率,得到輸出電壓和傳輸效率隨頻率變化的曲線,如圖16所示。系統存在兩個特征頻率f01和f02,在f01處,系統的傳輸效率最大,輸出電壓可達8.8 V;f02處,系統的輸出電壓最大,但此時系統效率過低,因此不采用此頻率。

圖16 輸出電壓及傳輸效率隨頻率變化曲線Fig.16 Curve of output voltage and transmission efficiency with frequency changing

當頻率為f01時系統的輸出功率仍然滿足為低功率設備供電的要求,因而選取f01作為工作頻率。

在工作頻率下,仿真得Cy對輸出電壓及傳輸效率的影響,如圖17所示?？梢娊饘倬€的等效電容會極大影響系統輸出電壓和傳輸效率。Cy容值越大,效率越高,輸出電壓越高。因此理論上增加接收設備數量以增大等效Cy,可提高系統整體傳輸性能。

圖17 Cy對輸出電壓及傳輸效率的影響Fig.17 Effect of Cy on output voltage and transmission efficiency

5 實驗研究

為了進行貨架層板準無線供電系統的實驗研究,搭建了實驗裝置,如圖18所示,元件參數見表3。系統主要由直流電源、高頻逆變器、補償網絡、整流橋、金屬鋁板、金屬線以及輔助測量設備(直流指針式電壓表)組成。貨架的頂層層板采用鋁板模擬,接收裝置的補償電感鐵心使用的是直徑10 mm、長度50 mm的NXO-100鎳鋅鐵氧體磁棒,由于此材料具有多孔性和高電阻率,非常適合在1 MHz以上的高頻下使用。

表3 實驗用元件參數表Tab.3 Element parameters for experiments

圖18 實驗系統Fig.18 Experimental system

5.1 單接收實驗

實驗用的元件參數見表3。發射側的層板中央位置上放置一個接收設備,接收設備底端鋁片與層板直接接觸。使用金屬氧化膜電阻作為負載,輸出功率可通過負載兩端的直流電壓計算得出。

5.1.1 金屬線長度變化實驗

負載電阻為R=51 Ω,改變金屬線的長度,得到傳輸功率和效率的變化情況,如圖19所示。金屬線長度為0,對應接收裝置不接金屬線的情況。由圖19可知金屬線長度對傳輸功率和效率的影響顯著,沒有金屬線時,能量基本無法傳輸,金屬線長度越長,傳輸的功率越大,效率越高,符合金屬線等效電容Cy的仿真規律。當長度為27 cm時,輸出功率為1.25 W,滿足貨架上低功率設備供電的要求,此時效率在9%左右。金屬線過長不利于集成,過短會大幅降低傳輸效率,因此后續實驗所選取的金屬線長度均為27 cm。

圖19 金屬線長度對傳輸功率及效率的影響Fig.19 Effect of metal wire length on transmission power and efficiency

5.1.2 負載電阻變化實驗

金屬線長度為27 cm,傳輸功率和效率隨負載電阻阻值的變化如圖20所示。負載電阻的范圍為5～75 Ω,功率和效率先升后降,負載電阻為27 Ω時,傳輸功率達到最大為2.4 W,此時輸出電壓為8 V,效率達到最大為11%,因此后續實驗采用27 Ω作為負載電阻。

圖20 負載電阻變化時的傳輸功率效率Fig.20 Transmission power and efficiency with load resistance changing

5.1.3 接收設備位置變化實驗

負載電阻為27 Ω,金屬線長度為27 cm,為探究層板各位置的傳輸特性,改變接收設備在層板上所處的位置,得到傳輸功率和效率的變化情況如圖21所示。將整個層板區域橫向11等分,縱向6等分,共有66個位置。由圖21可知,各個位置的傳輸功率都在2 W以上,靠近層板四角位置的傳輸能力高于邊緣位置,邊緣位置的傳輸能力高于中央位置,在靠近層板四角位置可以獲得3 W以上傳輸功率。

圖21 層板上各位置的傳輸功率Fig.21 Transmission power at each position on plane

同時得到在層板上各位置的傳輸效率,如圖22所示。層板四角位置的傳輸效率高于邊緣位置,邊緣位置高于中央位置,與傳輸功率的規律基本吻合?？拷鼘影逅慕俏恢眯瘦^高,最高可達17%,中央位置效率較低,僅有10%左右。由圖23可見,整個層板上90%區域傳輸效率高于10%,60%區域傳輸效率高于12%,13.6%區域傳輸效率高于15%。

圖22 層板上各位置的傳輸效率Fig.22 Transmission efficiency at each position on laminate

圖23 層板上傳輸效率的區域占比Fig.23 Area share of transmission efficiency on laminate

層板的邊緣區域傳輸功率和效率高于中央位置,是由于高頻下金屬板邊緣效應造成的,圖24是由COMSOL仿真得到的1 980 kHz時層板電流密度模分布,可見電流主要集中在層板的邊緣。

圖24 層板電流密度模分布Fig.24 Laminate current density distribution

5.2 多接收實驗

直流電源輸出電壓提高為36 V,其余實驗元件參數同表3。負載電阻為27 Ω,金屬線長度為27 cm。

5.2.1 接收設備數量變化實驗

為了達到較好的傳輸效果,將接收設備靠層板的一長邊放置,從右到左增加接收設備的數量,接收設備間的距離保持均勻。由圖25可知,增加接收設備,傳輸效率提升,總的傳輸功率呈降低趨勢。接收設備為兩個時,總傳輸功率略有上升,為6.69 W,此時效率為22.4%。數量增加為6個,此時接收設備數量在長邊方向基本達到飽和,效率達到最大為31.6%,總傳輸功率降到4.78 W。

圖25 不同負載數下的傳輸功率效率Fig.25 Transmission power and efficiency at different load numbers

六接收設備時的實驗效果如圖26所示,指針式電壓表接在負載電阻兩端,兩邊的接收電壓高于中間,電壓分布符合圖24所示的電流分布規律。最左側的接收電壓高于最右側的接收電壓,是由于接收設備間存在電感電容偏差,無法使所有的接收設備參數完全一致。接收設備的最低電壓為3.8 V,接收功率為534 mW,仍滿足為貨架上的低功率電子設備供電,如電子鐘、ESL等。

圖26 六接收帶載實驗Fig.26 Six receivers experiment

由圖27知,接收設備數量增加,電源輸入電流降低,單接收最高輸出電壓降低,帶載能力下降。接收設備中最高輸出電壓從單接收時的12.5 V降低到六接收時的5.8 V。同時,系統輸入電流也降低到0.42 A,但系統的傳輸效率近乎提高一倍。

圖27 負載增加時的輸入電流及最高輸出電壓變化情況Fig.27 Input current and maximum output voltage change with receiver increasing

5.2.2 接收設備種類變化實驗

不同的負載電阻可對應到不同的接收設備,即不同的供電需求,以三接收設備為例,調整負載電阻組合進而探究接收設備種類變化對系統傳輸能力的影響。其中R=27 Ω為單接收時的最佳負載。

由圖28可見,多接收下不同的接收設備組合會影響到系統的傳輸功率,偏離最佳負載的程度越大,非最佳負載數量越多,系統傳輸功率下降就越大。

圖28 不同負載組合下的傳輸功率Fig.28 Transmission power under different load combinations

5.2.3 多層應用場景

為探究多層層板對系統傳輸性能的影響,搭建了雙層貨架,層板之間用導線連接。調整發射側的補償電容Cm,在工作頻率基本不變的情況下,測得了兩接收設備處于不同層板時,系統的傳輸功率和傳輸效率如圖29所示。

圖29 兩接收設備的傳輸功率和效率Fig.29 Transmission power and efficiency of two receivers

如圖29所示,單層:兩接收設備置于單層層板上;雙層11:兩接收設備置于貨架頂層;雙層12:兩接收設備分別置于貨架頂層和底層;雙層22:兩接收設備均置于貨架底層?？梢?單層貨架上的傳輸性能優于雙層貨架頂層;雙層貨架頂層的傳輸性能優于底層。主要因為貨架層板尺寸增大會提高電場輻射損耗;處于中間層的接收設備金屬線等效電容Cy減小使傳輸效率降低;金屬線和層板間等效電容Cb增大使接收設備偏離諧振,系統傳輸性能降低。

在上述實驗基礎上,將金屬氧化膜電阻負載換為額定功率3 W的小型白熾燈,在層板上水平放置四個接收設備,如圖30所示,四個小燈泡均可以被點亮,中間的兩個接收設備2和3下面放置了一張絕緣紙隔離接收設備底面鋁片和層板,電能仍然可以傳輸。該實驗說明,當層板與接收設備無電氣連接時,能量仍然可以傳輸,此時整個系統變為無線電能傳輸系統。因此可以將準無線電能傳輸技術拓展應用到無線電能傳輸領域。

圖30 白熾燈實驗Fig.30 Incandescent lamp experiment

如圖31所示,兩接收設備置于上層,兩接收設備置于下層,置于上層的白熾燈亮度要高于下層,可見多層貨架時頂層的傳輸效果最好。

圖31 雙層四接收實驗Fig.31 Four receivers experiment on double layer shelf

6 結論

本文針對貨架上微功耗電子設備供電/充電需求,提出了一種借助貨架金屬層板實現準無線供電的新系統。為增大傳輸能力,提出了小體積金屬線耦合器。分析了單接收及雙接收系統的全電容耦合模型及諧振頻率,建立了多接收下的諧振簡化模型。最后,基于所提拓撲搭建了貨架層板準無線供電系統樣機,實驗驗證了理論分析的正確性。所提貨架準無線供電系統可滿足貨架層板范圍內自由供電/充電,實現了單接收設備時5.8 W的功率傳輸,最高效率達17%;多接收設備時,各接收設備傳輸功率均在500 mW以上,最高效率可達31.6%。為使其更好應用于貨架,后續可提高工作頻率進而縮小金屬線尺寸,或者將金屬線隱藏于接收設備外殼。同時,需要注意的是產品的安全性和電磁環境問題也不容忽視,未來的研究將圍繞這些主題進行改進。