2018年8月第41卷第4期
舰船电子对抗
SHIPBOARDELECTRONICCOUNTERMEASURE
Vol.41No.4
Au.2018g
无线电能传输系统设计与分析
()中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏扬州225101
赵 鑫
摘要:无线电能传输技术主要应用谐振原理,通过近区非辐射磁场耦合,实现电能的有效、安全传输。在此理论基础
之上建立电感电容串联的电路模型,并利用M特别是耦合系atlab仿真计算对电路模型中各参数进行了研究分析,数、频率、负载值对传输特性的影响。
关键词:无线电能;耦合系数;谐振
:/DOI10.126.cnki.cdzdk.2018.04.025jj
()中图分类号:TM724 文献标识码:A 文章编号:CN32-1413201804-0104-03
DesinandAnalsisofWirelessPowerTransmissionSstemgyy
()The723InstituteofCSIC,Yanzhou225101,Chinag
ZHAOXin
realizetheeffectiveandsafetransmissionofelectricenerhrouhthenearzonenon-radiationgytg
:AbstractWirelesspowertransmissiontechnoloainlsesthemanetic-resonantprinciletogymyugp
maneticfieldcoulin.Thispaerestablishesacircuitmodelinwhichtheinductanceandcaaci-gpgpp
,tanceareinseriesbasedonthistheorandusesMatlabsimulationcalculationtostudndanalzeyyayloadvalueontransmissioncharacteristics.
:;;Keordswirelesspowercoulinoefficientresonancepgcyw
,,eachparameterinthecircuitmodelseciallheinfluenceofcoulinoefficientfreuencndpytpgcqya
0 引 言
,为:近区场(又称感应场)和远区场(又称辐射场)前者的电磁场能量约束在发生源周围空间,周期性地来回流动,而后者的电磁场能量则以电磁波的形式
]2
。向外发射[
无线电能传输技术最早由尼古拉·特斯拉提出,
美国麻省理工学院(研究人员提出21世纪初,MIT)
了强耦合电磁谐振原理,并隔空点亮了一个60W因为能够有效地克服传统有线供电方式存在的操作所以其应用前景十分广阔,特别是在电动汽车充电系统、无线传感网络、小型移动工具、工业机器人、航空航天、军事、医疗器械、油田矿井、水下作业等几乎所有移动用电领域以及易燃易爆等严苛环境中,都有极大的应用价值。
1]
。灯泡,有效距离2此项实验引起世界注目[.74m,
无线能量传输技术通常采用的互感耦合模型,
初级发射端由直流输入,经过逆变形成一定频率的交流源,发射线圈产生交变磁场,次级接收端电路发
]3-4
。生谐振耦合发射线圈的能量,供给负载[
灵活性差、易产生接触火花、电线暴露腐坏等问题,
串联电路建模分析2 电感电容串联-
5]
,拓扑结构目前最为常用[这里只深入解析串联串-
电容电感串联串联与电容电感串联并联2种--
1 无线能量传输技术理论
收稿日期:20180112
联拓扑结构的传输特性,串联串联谐振耦合模型如-图1所示。电流方程:
电磁场发生源周围空间中的交变电磁场可以分
iC11=
duC1
dt()1
第4期
赵鑫:无线电能传输系统设计与分析
--
105
图1 串联-串联谐振耦合模型
X,Y为计算过程中的中间结果:
22-(ì4ω2-(ω2ω2121-ω)2-ω)ββ22ïX=+ωω1MC222
ωω2MC1ï
í22ï-2ω(ω2ω(ω2+221-ω)12-ω)ββY=-ïω2ω2C1î2M()2
式中:M=K 初次级回路方程:
iC22=
duC2
dt 传输功率Pout为:
2
ìdu1du1di2ïL1C1rCuuM++=+111s2ïdtdtdtí2ïdu2du2di1
(2+RL)L2C2C2+u2=Mï2+rdtdtdtî
()3
串联结构下工作频率、耦合系3 串联-数对传输特性影响的分析
/(;/(;1L2C2)2L1)R=r1=r12+RL;2=ββ/(;R2L2)1,2分别为初次级回路的阻尼系数。ββL1L2;ω1=/(;1L1C1)ω2=
()6
耦合系数、负载对系统传输 为了解析工作频率、特性的影响,主要是对传输功率、传输效率的影响,现利用Matlab仿真计算。其传输特性变化曲线如图2所示。设定系统的谐振频率1初级0kHz左右,回路L1=10次级00μH,C1=0.3μF,R1=0.8Ω,
RLU2ω2ω4C2S12
Pout=--(2X2+Y2)
系统传输效率η为:
η=
(ω2-ω2Y+2ωX2)2β()4
RLω3ω2ω2C212M2
-
-
()5
U=220V,RL取60Ω。
回路L2=10源端00μH,C2=0.3μF,R2=0.8Ω,
图2可以看出,耦合系数存在最优 结合图1、
值,耦合系数过小,谐振状态下,初级回路中的反映阻抗过小,能量难以耦合,初级发射端趋近短路,造成电流和功率急剧增大,虽然传输到次级接收端的功率相应增大,但传输效率下降;耦合系数过大,谐振状态下,初级回路中的反映阻抗过大,传输功率开始下降,趋同于初级发射端的功率,但传输效率增大。
传输功率和传输效率最大时的频率并不完全吻
图2 传输特性变化曲线
率、效率、初级发射端电流,平衡相互的关系。
串联结构下工作频率、负载对4 串联-传输特性影响的分析
负载RL对系统传输特性的影 将工作频率f、
响结合来看,耦合系数K取0.3。
结合两图可以看出,谐振状态下,当负载逐渐减
小,谐振频率点从1个逐渐变为2个;负载的取值过大时,系统传输功率会急剧上升,而传输效率出现明显下降。其传输特性变化曲线如图3所示。结构选用负载值相对较小为宜。
由此可见,负载存在一个值域范围,串联串联-
合,但在特定的电磁结构下(电容、电感、内阻、频率、,负载、耦合系数)两者能够重合。在设计传输系统时,需选好耦合系数,设计电路时须综合考虑传输功
106舰船电子对抗 第41卷
图3 传输特性变化曲线
5 多接收端能量传输系统分析
分析,可扩展至1个发射端对多个次级接收端供电,在无线传感器网络中,假设系统存在2n+2个接收端。多接收端系统示意图如图4所示。
]6
,一个接收端是一个回路[则:
基于1个发射端和1个接收端的拓扑结构理论
对2每n+2个接收端进行电路等效模型分析,
Zmn=Znm式中:Mmn=kmnLmLn。
设L3C3Rp3L4i=L3,i=C3,i=Rp3,i=L4,
…,,每个接收端与RLRL,M3i=1,2,n)i=4i=M34(发射源的相对位置不同,导致M23i各不相同。……,到回路3直到第i个接收端i中的等效阻抗,反映到回路2中的等效阻抗。除了计算等效总阻抗,还可以计算分析接收端与发射端之间的互感和耦合系数等一系列特性。
可计算回路3回路4i与回路4i的阻抗,i反映
1ìï,Rn+jωLn+m=nï
ωCnj=í
ïωMmn,m≠nîjiúé
ê1ùêúi2êúi3êúêúi4êú=ê︙úêúi2n+1úêêiúëû
2n+2
Z1Z1Z1é123
ê
êZ2Z2Z2123ê
Z3Z3123êZ3
ê
Z4Z4123
êZ4ê︙︙︙ê
))Z(Z(2n+1)12n+122n+13êZ(
êZ()Z()Z()ë2n+212n+222n+23
()8
1-)Z1(ù2n+2Uúúéêsù
úê…)Z2(2n+20úúêú
…)Z3(2n+20úúê
úêú…())Z4(702n+2
úêúúê…︙0úúêú
…Z()()ú0ú2n+12n+2ê
úúê…Z(ë0û)()û2n+22n+2
输特性的影响,对无线电能传输技术后续应用发展
…
图4 多接收端系统示意图
具有重大意义。参考文献
[]1 KURSA,KARALISA,MOFFATTR,etal.Wireless
owertransferivastronlouledmaneticresourcespgycpg[],():J.Science2007,31758348386.出版社,2000.
[]马西奎.工程电磁场导论[北京:高等教育2 冯慈璋,M].[]磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其试3 张小壮.[]新型无接触供电系统的研究[北京:中国科学4 武瑛.D].[]5 ZHOUWQ,MAH.Desinconsiderationsofcomen-gp
2007:985990.研究生院,2004.
验装置研究[哈尔滨:哈尔滨工业大学,D].2009.
6 结束语
//sationtooloiesinICPTsstem[C]IEEEAPEC,pgy
本文通过建立电容电感串联的电路模型,优化
算法,利用Matlab仿真计算对电路模型中各参数进
行了理论分析,特别是耦合系数、频率、负载值对传
[]用于无线传感器网络的磁共振式无线能量传6 毛银花.
输系统[哈尔滨:哈尔滨工业大学,D].2011.
