11磁耦合无线电能传输中谐振式与感应式两种传输方式的对比分析——张艺明 赵争鸣 贺凡波 陈凯楠.doc

磁耦合无线电能传输中谐振式与感应式两种传 输方式的对比分析 张艺明 赵争鸣 贺凡波 陈凯楠 鲁 挺 袁立强 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 清华大学电机系 北京市 100084 摘要 磁耦合无线电能传输在近些年来成为了研究热点问题 感应式和谐振式是 磁耦合谐 振式无线电能传输中的两种技术 均以交变的磁链铰链发射端和接收端作为特性 本文对这两种 技术进行对比分析 阐述其技术表现上的 异同 说明了发射端和接收端分别进行电容谐振的原因 利用电路理论 研究了磁耦合无线电能传输的两种基本结构 两线圈结构和四线圈结构 推导 了其系统效率和传输效率的表达式 得到理论上最大的传输效率 并利用美国麻省理工学院的 实验数据进行了验证 鉴于感应式和谐振式具有相同的理论基础和 均以交变的磁链作为能量变 换媒介 认为感应式和谐振式是电磁感应定律的两种不同技术表现形式 关键词 无线电能传输 非接触电能传输 磁耦合 谐振 感应 对比分析 中图分类号 TM315 A Comparative Study between Resonant and Inductive Magnetically Coupled Wireless Power Transfer Zhang Yiming Lu Ting Zhao Zhengming Chen Kainan He Fanbo Yuan Liqiang State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China Abstract Wireless power transfer WPT has become a research interest in recent decades Inductive WPT IWPT and resonant WPT RWPT as two basic technologies in magnetically coupled WPT MCWPT which features in alternating flux linkage coupling the transmitter and the receiver are analyzed and compared in this paper The capacitive compensations both in the sending and receiving sides are investigated Based on two basic structures of MCWPT namely the two coil structure and the four coil structure the formulas of the system efficiency and the transfer efficiency are deduced as well as the theoretical maximum transfer efficiency They are verified by the experimental results obtained by Massachusetts Institute of Technology It is concluded that IWPT and RWPT are simply two different technological forms of electromagnetic induction Keywords Wireless power transfer WPT contactless power transfer magnetically coupled resonant inductive comparison 1 引言 无线电能传输 Wireless Power Transfer WPT 指的是电能从电源到负载的一种没有经过电 气接触的能量传输方式 无线电能传输可以 应用在 传统有线的输电方式 代价昂贵 造成不方便 危险 甚至是不可能传输的场合 如消费类电子产品 家 居电器 无线传感网络和电动汽车等领域 1 电力系统国家重点实验室自主项目 SKLD13M09 收稿日期 2014 07 15 改稿日期 2014 08 15 表 1 不同功率等级的无线电能传输 Tab 1 Category of power ratings in WPT 分分类类功功率率等等级级应应用用领领域域 举举例例关关注注问问题题 小功率几瓦及以下 无线传感网络 植入体内医疗器械 不太关注效率 满足特定应用 需求 中功率 几瓦 几十 千瓦 消费类电子产品 电动汽车 工业应用场合 关注效率 功 率和距离 大功率 上百千瓦以 上 孤岛无线输电 空间太阳能电站 关注安全 可 靠和效率 传 输距离最远 无线 电能传输 电磁辐射式 激光 感应式 无线电波 谐振式 电场耦合式 磁场耦合式 超声波等 图 1 无线电能传输分类 Fig 1 Category of WPT 根据功率等级的不同 无线电能传输可以分为 小功率无线电能传输 中功率无线电能传输和大功 率无线电能传输 如表 1 所示 根据传输机理的不同 无线电能传输可以分成 图 1 所示几种 2 磁场耦合式无线电能传输技术在 近些年来成为 了研究的热点问题 其以交变的磁链铰链发射端和 接收端的线圈为特征 能够满足在较远的距离下 以较高的效率传输较大的功率 适用于中功率无线 电能传输的场合 在磁场耦合式无线电能传输中 目前主要有两 类技术 感应式和谐振式 关于二者的区别 目前 并没有一个很明确的界限进行区别 对于二者原理 上的异同点 目前也有较多的争论 文献 3 认为 谐振式工作在 谐振状态 相比于感应式能够传输 Q2倍的功率 这并没有指出两者的本质区别 文 献 4 研究了二者不同的频率和距离相应特性 并 指出相比于感应式 谐振式的电场强度更大 该文 献依旧罗列出表现形式的不同 并没有指出本质的 区别 文献 5 指出感应式和谐振式是等效的 它 们具有相同的效率 距离关系 而不同点在于 谐振 式使用了阻抗匹配网络 本文在此基础之上 进一 步阐述谐振式与感应式的区别 利用电路理论 对二 者进行研究 指出影响传输效果的关键参数 解释 进行电容补偿的原因 以及补偿电容对传输效果的 影响 电源 发射线圈 接收线圈负载 磁链 磁场耦合 图 2 磁场耦合无线 电能传输原理 Fig 2 Basic principle of magnetically coupled WPT 2 感应式与谐振式介绍 磁场耦合式无线电能传输以交变的磁链铰链 发 射端和接收端的线圈为特征 如图 2 所示 2 1 感应式 感应式来源于可分离变压器 按照无线电能传 输的定义 传统变压器和电机均为 无线电能传输的 系统 以磁路代替电路作为功率传输的通道 实现 了电能的无线传输 感应式在 20 世纪 90 年代由新 西兰的奥克兰大学的 John T Boys 所在的课题组提 出后 受到了持续关注 国内则以重庆大学 和中科 院电工所等科研单位 最早进入感应式无线电能传输 领域 浙江大学也开展了系列研究 感应式以使用铁芯等导磁材料作为标志 其驱 动频率较低 一般在一百千赫兹以下 传输距离较 近 并且容易受到距离和错位的影响 由于发射线 圈和接收线圈之间存在铁芯 且传输距离较近 属 于紧耦合的系统 2 2 谐振式 谐振式来源于美国麻省理工学院 MIT 2007 年发表在 科学 上的文章 6 利用两个开放的自 谐振的线圈 MIT 的研究人员将 60 瓦的功率以 40 左 右的效率传递 2 米的距离 以单匝的电源线圈进行 供电 同时以单匝的负载线圈接收电能 随后 全 世界掀起了一阵研究热潮 国内的河北工业大学 哈尔滨工业大学 东南大学 南京航天航空大学 湖南大学 福州大学 清华大学等开展了系列研究 谐振式一般不适用铁芯 其谐振频率较高 一 般为几百千赫兹到几十兆赫兹级别 其传输距离较 远 不太容易受到距离和错位的影响 由于发射线 圈和接收线圈之间不存在铁芯 且传输距离较远 属于松耦合的系统 3 补偿电容 图 2 所示的传输系统的等效电路图如图 3 所示 M23 R2R3 发射线圈接收线圈 U RS RLL2L3 图 3 磁场耦合无线 电能传输等效电路图 Fig 3 Equivalent circuits of magnetically coupled WPT 接收端反射到发射端的反射阻抗为 MERGEFORMAT 1 2 2 122L2 12 ref 22 22L2L2 j j MRRLM Z LRRRRL 效率表征各级有效阻抗之比的乘积 因此 效 率可以表示为 MERGEFORMAT 2 refL S1refL2 Re Re ZR RRZRR 其中 Re Zref 表示反射阻抗的实部 负载电阻可以 选取较大的值 因此式 2 右边的第二项的值可 以较大 物理意义是接收端的效率可以 较高 此时 为了提高整体效率 就要求发射端的效率较高 即 Re Zref 要较大 而 Re Zref 的值为 MERGEFORMAT 3 2 122L ref 22 2L2 Re MRR Z RRL 增大互感 M12 可以提高 Re Zref 为了增加两 个传输线圈的 互感 线圈的自感值一般取得较大 因此式 3 中的分母 L2 2一般较大 造成 Re Zref 较小 从而降低传输效率 因此 可以使用 电容跟接收端的电感进行谐振 从而提高反射阻抗 的实部 提高效率 另一方面 接收端谐振后 反 射阻抗变为纯阻性 更有利于功率的传输 接收端 进行电容谐振 是为了提高反射阻抗的实部 进而 提高功率传输能力和效率 接收端谐振后 系统的反射阻抗为纯阻性 但 是系统的输入阻抗仍为感性 发射端 存在大电感 当电源给这样一个系统供电时 会产生较大的无功 功率 因此 可以利用电容和发射端的电感进行谐 振 从而提高电源有功功率的输出能力和降低电 源的电压电流等级 4 原理研究 在磁场耦合无线电能传输中 有两种基本结构 两线圈结构和四线圈结构 如图 4 所示 发射 线圈 接收 线圈 M M 电源 线圈 发射 线圈 负载 线圈 接收 线圈 电源 RS负载 电源 RS负载 a 两线圈结构 b 四线圈结构 图 4 基本结构的抽象模型 Fig 4 Abstract model of two basic structures M23 C3C2 R2R3 发射 线圈 接收 线圈 M12 C2C3 M34M23 电源 线圈 发射 线圈 接收 线圈 负载 线圈 R3R2 U RS RL RS U RLL1L2L3L2L3L4 a 两线圈结构 b 四线圈结构 图 5 基本结构的等效电路图 Fig 5 Equivalent circuit of two basic structures 描述感应式的电路理论和麻省理工学院用来描 述谐振式的耦合模理论在原理上证明是等效的 7 鉴于电路理论更直观易懂 因此 使用电路理论进行 分析 忽略电源线圈和负载线圈的等效电阻 以及忽 略非相邻线圈之间的互感 以及假设发射线圈和接 收线圈的谐振频率一致 这两种基本结构的等效电 路图如图 5 所示 引入电源匹配因数 Source Matching Factor SM 表征电源匹配情况和电源内阻上的损 耗 两线圈结构 SM 2C 和四线圈结构 SM 4C 的电源匹配因数为 MERGEFORMAT 4 2 S12 M 2CM 4C 2S2 RM SS RR R 引入负载匹配因数 Load Matching Factor LM 表征负载匹配情况 两线圈结构 LM 2C 和四线圈结构 LM 4C 的负载匹配因数 为 MERGEFORMAT 5 2 34L M 2CM 4C 3L3 MR LL RR R 引入传输品质因数 Transfer Quality Factor TQ 表征两个线圈的耦合紧密程度 两 线圈结构和四线圈结构的传输品质因数的 定义是一 样的 均为 MERGEFORMAT 6 23 Q 23 M T R R 两线圈结构的系统效率 2C 为 8 0 20406080100 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 TQ 理论上最大传输效率 TQ效效率率 2 1140 2 8350 3 8760 5 5870 8 9580 18 9890 图 6 效率 TQ曲线 Fig 6 Relationship of efficiency and TQ MERGEFORMAT 7 2 Q M 2C 2C 2 M 2CM 2CQM 2C 1 1 1 TL SLTL 四线圈结构的系统效率 4C 为 9 MERGEFORMAT 8 2 Q M 4CM 4C C M 4CQM 4CM 4CQ TSL LTSLT 4 22 111 当忽略电源内阻上的损耗 即认为 RS 0 时 SM 2C 0 and SM 4C 此时系统效率蜕变为传输 效率 两种基本结构的传输效率是一致的 10 MERGEFORMAT 9 2 Q M trn 2 MQM 11 T L LTL 当负载最优匹配时 传输效率为 MERGEFORMAT 10 Q2 trn max 2 Q 11 T T 当 TQ越大 理论上最大的传输效率越高 其 关系曲线如图 6 所示 从图 6 可以看出 当 TQ值 大于 2 11 时 理论上最大传输效率可达 40 以上 当 TQ值大于 18 98 时 理论上最大传输效率可达 90 以上 进一步提高 TQ 理论上最大传输效率提 高缓慢 根据式 6 定义的 TQ 当传输系统的互感 越 大 驱动频率越 高 电阻越小 则 TQ越大 感应 式通过增大互感 使用铁芯 近距离传输 来提高 TQ 而谐振式通过增大谐振频率和减小电阻 使用 高品质因数线圈 来提高 TQ 由于传输距离较远 其互感值较小 对于两个耦合线圈 当距离较近时 随着距离的增加互感减小剧烈 当距离较远时 随 着距离的增加互感减小较为缓慢 如图 7 所示 感 应式工作在近距离 其互感值容易受到距离和错位 的影响 谐振式工作在较远距离 其 互感值受距离 和错位影响较小 这就是感应式受距离和错位影响 较大而谐振式受其影响较小的原因 0 20 30 40 50 6 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 距离 m 互感 H 谐谐振振式式 感感应应式式 图 7 互感 距离曲线 Fig 7 Relationship of mutual inductance and distance 75100125150175200225 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 距离 cm 理论最大传输效率 75100125150175200225 0 10 20 30 40 TQ 效率 TQ 图 8 MIT 传输系统的 TQ和理论最大传输效率 6 Fig 8 TQ and theoretical maximum transfer efficiency of MIT s experimental results 6 以 MIT 提供的数据为例 文献 6 定义的两个 谐振单元的耦合系数 与 TQ的关系为 MERGEFORMAT 11 Q 2 TQ 其中 Q 为线圈品质因数 为谐振角频率 在 MIT 的谐振系统中 谐振频率为 9 9MHz 线圈品 质因数为 950 50 耦合系数在该文献的 图 2 中给 出 由此可以计算出 TQ和理论上最大的传输效率 如图 8 所示 对比图 8 和 MIT 给出的传输效率 原文献的图 4 可知二者效率曲线近似一致 图 8 因为计算的是最大传输效率 比原文献的传输 效率要高 因此 用电路理论可以很好地解释 MIT 研究的谐振式系统 5 对比分析 综上所述 可以使用电路理论描述谐振式 同 时描述谐振式的耦合模理论等效于电路理论 原理 上谐振式相比于感应式并没有其独特之处 谐振式 仍需满足发射端与接收端磁链铰链的原则 当完全 没有磁链铰链时 其传输效率为 0 因此 我们认 为谐振式和感应式均利用电磁感应原理 是一种技 术的两种不同表现形式 二者的区别如表 2 所示 表 2 感应式和谐振式的区别 Tab 2 Difference between inductive and resonant WPT 分分类类感感应应式式谐谐振振式式 耦合程度松耦合紧耦合 工作频段 较低 一般小于 100kHz 较高 几百 kHz 到几十 MHz 补偿方式 不使用电容或使用集中 电容进行补偿 一般使用杂散电容进行 补偿 磁材料使用铁芯等磁材料一般不使用磁材料 敏感度对距离和错位较为敏感对距离和错位不敏感 虽然感应式和谐振式的工作机理相同 但由于 其外在表现形式不一样 谐振式仍能区别与感应式 而有其特殊的应用场合 我们相信 随着高频技术 的发展 高频变换器的效率能进一步提高 以及高 频低损耗磁芯的发展 利用磁芯的高频谐振式无线 电能传输能够得到进一步的发展 6 结论 根据功率等级和传输机理 的不同 对无线电能 传输技术进行分类 针对磁耦合无线电能传输技术 中感应式和谐振式两种技术 分析其工作原理 解 释了进行发射端和接收端电容补偿的原因 利用电 路理论研究了两种基本结构的系统效率和传输效率 得到理论上的最大传输效率 利用 MIT 的数据进 行验证 表明感应式和谐振式均能利用同一套理论 进行解释 阐述了感应式和谐振式的区别 说明了 产生这些区别的原因 得到的结论是 感应式和谐 振式是同一种技术的两种不同表现形式 参考文献 1 Hui S Y R Zhong W Lee C K A critical review of recent progress in mid range wireless power transfer J IEEE Transactions on Power Electronics 2014 29 9 4500 4511 2 赵争鸣 张艺明 陈凯楠 磁耦合谐振式无线电能 传输技术新进展 J 中国电机工程学报 2013 33 3 1 13 Zhao Zhengming Zhang Yiming Chen Kainan New progress of magnetically coupled resonant wireless power transfer technology J Proceedings of the CSEE 2013 33 3 1 13 3 Karalis Aristeidis Joannopoulos J D Soljacic Marin Efficient wireless non radiative mid range energy transfer J Annals of Physics 2008 323 1 34 48 4 Ho S L Wang Junhua Fu W N Sun Minggui A comparative study between novel witricity and traditional inductive magnetic coupling in wireless charging J IEEE Transactions on Magnetics 2011 47 5 1522 1525 5 Ricketts David S Chabalko Matthew J Hillenius Andrew Experimental demonstration of the equivalence of inductive and strongly coupled magnetic resonance wireless power transfer J Applied Physics Letters 2013 102 5 53904 6 Kurs A Karalis A Moffatt R et al Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances J Science 2007 317 5834 83 86 7 Kiani Mehdi Ghovanloo Maysam T