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具有较高谐振电路品质因数的磁耦合谐振式无线电能传输系统研制

更新时间:2009-03-28

0 引言

2007年,美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授等第一次提出了磁耦合谐振式无线电能传输技术[1].此后,该技术迅速成为了国内外专家学者研究和关注的热点,并取得了快速发展.

目前国内外学者在磁耦合谐振式无线电能传输技术方面的研究主要还停留在理论研究和实验阶段,且大都只是针对效率、频率的讨论分析和小功率电能传输的实验验证阶段[2].在传输效率方面的研究,很多学者通过计算机软件仿真以及实验验证的方式,对磁耦合谐振式无线电能传输效率进行了大量的研究,其中传输距离、线圈设计和系统频率成为了效率研究中最受关注的研究内容[3-6].在系统频率研究方面,很多学者针对了磁耦合谐振式无线电能传输技术的频率特性和频率分裂特性做了大量的研究,分析了系统频率在磁耦合谐振式无线电能传输过程中对能量传输效率和功率大小的影响[7-9].但在当前的研究中,涉及到磁耦合谐振式无线电能传输在功率大小控制方面的成果非常少.

本文在磁耦合谐振式无线电能传输技术功率传输控制方面做了理论分析与优化.在不改变系统工作频率和发射端、接收端线圈形状以及相对位置的情况下,提出了一种通过改变发射端谐振电路串联电阻阻值的方式来改变谐振电路品质因数,进一步改变谐振电路中存储的能量大小,并最终达到控制电能传输功率的方法.并经过试验验证该方法的可行性.

分别选取外科为主和内科为主的代表性科室,比较其费用变化。其中某外科取消加成前出院 1 079人次,总费用3207.43万元,次均2.97万元;取消加成后出院998人次,总费用2844.18万元,次均2.85万元,次均下降1200元,下降4.04%。某内科取消加成前出院 1 150人次,总费用1374.68万元,次均1.2万元;取消加成后出院1 304人次,总费用 1403.15万元,次均1.08万元,次均下降1200元,下降10%。具体费用中内外科均为药品费用下降比例最大,外科手术费、材料费、治疗费都次均上升,内科只有治疗费次均上升,药品费、检查费、材料费都下降。

1 磁耦合谐振式无线电能传输系统原理分析

磁耦合谐振式无线电能传输是一种基于近场耦合概念的新型无线电能传输技术[10].图1为磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图.

比较两组的临床疗效,疗效评定标准:经治疗后患者的症状及体征完全消失,呼气流量峰值(PEF)增加超过35%为控制;经治疗后患者的症状及体征显著好转,肺部哮鸣音减少或消失,PEF增加在25%~34%为显效;经治疗后患者的症状及体征有所好转,PEF增加在15%~24%为有效;经治疗后患者的症状及体征无明显改变或加重,肺部哮鸣音加重,PEF增加小于15%为无效。总有效率=(控制+显效+有效)/总例数×100%。

战斗精神,是军队战斗力的一个重要因素。没有战斗精神,光有好的作战条件,军队也是不能打胜仗的。我军之所以能以弱胜强、从胜利走向胜利,靠的就是强大的战斗精神。有效维护军事文化安全,必须在强固一不怕苦、二不怕死战斗精神上下功夫,引导官兵大力发扬我军大无畏的英雄气概和英勇顽强的战斗作风,始终保持旺盛革命热情和高昂战斗意志。

由图1可知该系统主要包括发射端子系统和接收端子系统.其中发射端子系统主要由发射端LC串联谐振电路和交流电源构成,接收端子系统主要由接收端LC串联谐振电路和负载组成.且其中的两个LC串联谐振电路谐振频率相同.当系统输入的交流电源频率与系统谐振频率一致时,能量在电场和磁场中实现自由的来回振荡.又因为两端谐振电路的谐振频率相同,而且都工作在谐振状态,此时两线圈借助于耦合磁场建立起能量传输的途径,不断地进行磁场能的交换.同时在系统工作时,电阻负载不断地将电能转换为热能消耗,发射端线圈就会不断地向接收线圈传输能量补充负载上的能量消耗,即实现了能量无线传输.

磁耦合谐振式无线电量传输的过程实质是发射端与接收端线圈内存储的能量不断进行交换的过程.而作为接收端子系统的能量源的发射端线圈,其存储的能量多少就会对能量传输功率大小产生重要影响.由串联谐振电路品质因数定义和电感储能公式可知,电感储能与通过电感的电流大小有关,而当谐振电路工作在谐振状态时,电感和电容的串联阻抗理论上为零,因此能限制电路中电流大小的因素就只有发射端谐振电路上串联电阻的阻值.此时保证谐振电路中电感值与电容值不变,串联电阻的阻值就成了唯一影响品质因数的因素.假设发射端谐振电路电源电压为U,则根据公式推导可得到:该式子表明,谐振电路品质因数会影响电感储能情况,品质因数也必将对系统电能传输功率的大小产生影响.

未次给药前记录小鼠体质量。处死小鼠后立即取新鲜双侧全肾,去除肾外膜和脂肪后称取肾质量,计算肾指数。肾指数=肾质量(g)/体质量(g)×100。

  

图1 磁耦合谐振式无线电能传输系统示意图Fig.1 Wireless power transfer via magnetic resonance coupling system diagrammatic sketch

2 磁耦合谐振式无线电能传输输出功率和效率

  

图2 磁耦合谐振式无线电能传输电路简化图Fig.2 Simplified circuit diagram of Wireless Power Transfer via Magnetic Resonance Coupling

为了便于分析,本文将磁耦合谐振式无线电能传输系统化简成图2所示的电路.

图7 所示为接收端电路原理图.

假定发射端和接收端回路电流分别为依据基尔霍夫电压定律(KVL)列出两回路电压回路方程:

 

式中:

 

系统全桥逆变电路的驱动电路原理图如图5所示.

 

代入回路方程中可解得电流为:

 

由式(2)求得系统传输功率以及传输效率公式:

图8 为系统中DSP对电能传输控制的软件流程图.

 

负载功率的模为:

 

全桥逆变电路原理图如图6所示.电路选用4个IXYS公司生产的型号为IXFH26N50的N沟道增强型功率MOSFET组成全桥逆变电路.由于谐振电路中存在电感元件,电流不能跳变[11],电路中每个MOSFET漏源极间反向并联一个续流二极管为谐振电路续流通路.

 

由式(5)和式(6)可知,在线圈及系统谐振频率一定的情况下,Q值是唯一影响系统电能传输功率与效率的因素.而在系统中谐振频率是固定不变的,即电容和电感不变.因此,只有通过在发射端LC谐振电路上串联电阻的方式可以改变谐振电路品质因数.由此拟通过在发射端谐振电路上串联电阻改变电路品质因数的方式来控制系统的电能传输功率.

3 实验平台设计

慕容慎行教授于1934年11月出生于福建省福州市,1956年毕业于福建医学院医疗系,1958年师从华山医院张沅昌教授,从此走上神经病学的专业道路。1966赴意大利进修神经生化,1977年至1979年参加我国援助塞内加尔医疗队,1990年作为高级访问学者赴法国。历任中华医学会神经科分会神经遗传病学组顾问、华东六省一市神经病学协作组委员、中国神经科学学会理事、福建省医学会神经病学分会荣誉主任委员。

  

图3 磁耦合谐振式无线电能传输系统结构图Fig.3 SystemconstructiondrawingofWirelessPowerTransferviaMagneticResonanceCoupling

  

图4 实验系统实物图Fig.4 Experimentalsystemphysicalmap

3.1 发射端电路设计

  

图5 全桥驱动电路原理图Fig.5 Full bridge driver circuit schematic

系统中DSP作为系统的信号发生源,输出PWM信号,并通过全桥驱动增强信号驱动能力后,驱动全桥逆变电路,产生高频方波交流电.

在谐振状态下电感电容串联产生谐振,同时电感损耗电阻相对于整个电路来说可忽略不计.由此上式可简化为:

驱动电路的MOS管驱动芯片选用ADI公司生产的型号为ADUM3221ARZ的4 A双通道门极驱动器.该驱动器输入端接PWM信号并与DSP共地.输出端将PWM信号转换为高电平12 V低电平0 V的驱动信号,增强驱动能力.同时在电器上将主电路与DSP相互隔离,既减少了主电路中高频交流电对DSP信号的干扰作用,也保护了DSP不受高压电源损坏.

再由谐振电路品质因数计算公式代入系统传输功率和传输效率公式中可得到:

本文设计一套谐振频率为250 kHz实验系统.选用DSP作为该系统主控芯片.DSP输出四路PWM经驱动电路增强驱动能力,接着驱动全桥逆变电路产生频率为250 kHz方波交流电源.然后将逆变得到的方波交流电元加在发射端谐振电路上.接收端谐振电路接收到的高频交流电源经过整流桥和滤波电容整流为直流电,为负载供电.系统整体结构图如图3所示,系统实物图如图4所示.

由于每个MOSFET触发电压参考点不同,系统采用三路独立12 V电压作为全桥逆变电路触发电源,Q1Q3分别使用一路触发电源,Q2Q4参考点相同,使用同一路12 V电源触发.

(1)缓蚀剂电化学实验。实验选用Parstat2273电化学工作站测试,其中工作电极为N80碳钢,辅助电极为Pt电极,参比电极为饱和甘汞电极,实验溶液为饱和CO 2的模拟地层水,在60℃下测量。EIS从10000 Hz到10 m Hz测量,动电位极化测量相对于开路电位±200 m V扫描,扫描速率为0.50 m V/s。缓蚀率(ηI)按式(1)计算。

最后,发射端串联LC谐振电路连接在全桥逆变电路输出端.谐振电路中电容的电容值为31.61 nF,自制半径7.5 cm线圈,其电感量为12.82 μH[12].

  

图6全桥逆变电路原理图Fig.6 Full bridge inverter circuit schematic diagram

3.2 接收端电路设计

图中Vs=˙=Umsinωt,为系统输入电源,其中交流电源角频率ω与系统中谐振电路的谐振角频率相同.发射端谐振电路由发射线圈L1、谐振补偿电容C1、串联电阻R串联组成,其中r1为发射线圈损耗电阻.接收端谐振电路由接收线圈L2、谐振补偿电容C2、负载电阻RL串联组成,其中r2为线圈损耗电阻.M为两线圈的互感.

接收端LC串联谐振电路中,线圈半径7.5 cm,其电感量为20.08 μH,电容的电容值为20.18 nF.谐振电路与整流电路相连接.整流电路由一个整流桥和两个电容值分别为1000 μF、10 nF的电容并联构成.高频电源经过整流后得到的直流电源,为负载供电.

  

图7接收端电路原理图Fig.7 Schematic diagram of the receiver circuit

3.3 DSP控制流程设计

3.按逻辑查询。查询条件可选择“和”“或”“是”“否”等逻辑语句,对元信息编码和语法标注信息编码进行组合查询。

系统上电后,首先,对系统控制寄存器进行初始化设置,包括看门狗设置、PLLCR寄存器赋值、外设时钟预定标寄存器赋值和需要使用的外设时钟进行使能;接着,初始化程序所要用到的自动以变量以及所需GPIO的输入输出模式配置;然后,对DSP定时器和ePWM模块进行初始化,其中ePWM为增强型PWM模块.系统中利用DSP中两个ePWM模块分别控制全桥逆变电路的两路桥臂,通过系统时钟设置两个ePWM模块输出四路带死区的250 kHz的PWM信号.以上设置完成之后DSP使能ePWM引脚输出4路PWM信号驱动全桥逆变电路使得系统进入正常工作状态.

对处于低洼地里的日光温室,为了防止雨水汇集形成的积水和浸泡温室以及倒灌温室,需要修建排水渠道,将雨水排出,另外是异地取土,填平温室前坎后墙形成的低洼。在缺水的干旱半干旱地区还可以汇集雨水进入温室内外的蓄水池和蓄水窖,与滴灌设施结合,提高水分利用效率。

  

图8 DSP控制流程图Fig.8 DSP control flow chart

4 实验设计与验证

通过系统原理分析与式(5)可以看出,在磁耦合谐振式无线电能传输系统的发射端和接收端中谐振电路中电容值和电感量不变,同时系统谐振频率和负载阻值一定,且两线圈相对位置固定(互感不变)的情况下,发射端品质因数是唯一影响系统传输功率大小的因素.由于本系统中电源以及电感和电容是固定的,能影响发射端谐振电路品质因数的唯一因素就是谐振电路上的串联电阻.所以根据以上理论推导给出设想:系统其他条件不变的情况下,通过改变发射端谐振电路上串联电阻阻值的方式改变其品质因数,从而增加或减少发射端线圈中存储的能量大小,可实现系统电能传输功率大小的控制.

在实验中,保持电路各个元器件以及电源不变,两线圈始终平行放置且位于同一轴上,改变发射端谐振电路串联电阻的阻值,记录下发射端的输出电流以及接收端负载上的电压,即可计算得到系统的输入功率、输出功率以及传输效率.

实验中分别选取阻值为2.6Ω、3.0Ω、3.5Ω、3.9Ω、4.3Ω、4.7Ω、5.2Ω、5.6Ω、6.0 Ω的电阻作为发射端谐振电路串联电阻,根据品质因数公式求得各个阻值对应的发射端谐振电路品质因数Q如表1所示.

④《直斋书录解题》可考的最晚撰写年代是理宗淳祐五六年(1245-1246),但因一直未付梓最后编定成书时间难定。详参武秀成《陈振孙评传》第二章《直斋书录解题》的成书与流传,南京大学出版社2006年版。

 

表1 不同电阻取值对应的Q值Tab.1 Figure of merit corresponding to different resistance values

  

/Ω2.63.03.53.94.34.75.25.66.0 Q 7.756.715.755.164.684.283.873.603.36 R

在实验中,以Q值为自变量,当实验系统在负载分别为102.5Ω、199.5Ω和线圈水平距离分别为5 cm、8 cm的情况下来测试不同品质因数下系统传输功率以及传输效率的情况.实验结果如图9所示.

  

图9 实验结果图Fig.9 Experimental results

图9(a)、图9(b)分别为线圈直线距离为5 cm时,系统为102.5Ω和199.5Ω电阻负载供电的实验结果;图9(c)、图9(d)分别为线圈直线距离为8 cm时,系统为102.5Ω和199.5Ω电阻负载供电的实验结果.通过对实验数据进行分析比较后,发现在不同的负载阻值下品质因数对磁耦合谐振式无线电能传输功率传输大小和传输效率的影响趋势相同.从图9中曲线的变化可以看到,系统在不同的负载和传输距离下,随着发射端谐振电路串联电阻阻值的减小,即发射端谐振电路Q值的增大,系统的能量传输功率随之增大.其次,系统的传输效率也随着品质因数Q值的增大而增大,且效率的变化范围相较于功率的变化要小得多.从而可以得到:磁耦合谐振式无线电能传输在发射端谐振电路中串联电阻的方式,可实现较小范围内改变串联电阻阻值就可以对系统电能传输功率大小进行较大范围内的控制,并且在调节系统电能传输功率时,对系统电能传输效率的影响较小.

5 结束语

针对磁耦合谐振式无线电能传输技术,提出了一种通过改变发射端谐振电路串联电阻阻值从而改变该电路品质因数并最终控制系统电能传输功率的方法.在理论分析的基础上,设计了一套基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的无线电能传输实验平台.通过实验和数据分析比较,验证了理论设想的正确性.这种方法在不改变系统频率和输入电源的情况下可对系统的传输功率进行控制,同时对系统电能传输效率的影响较小,具有较强的实用性.

参考文献

[1]KURS A,KARALIS A,MOFFATT R,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science,2007,317:83-86.

[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(3):1-13.

[3]李阳,杨庆新,闫卓,等.磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性[J].电机与控制学报,2012(7):7-11.

[4]LIU X Y,ZHANG F,HACKWORTH S A,et al.Wire-less power transfer system design for implanted and worn devices[C]//35th IEEE Northeast Biomedical Engineering Conference.Boston,Cambridge:IEEE Press,2009.

[5]傅文珍,张波,丘东元,等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报,2009(18):21-26.

[6]黄辉,黄学良,谭林林,等.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能新技术,2011(1):32-35.

[7]封阿明,毛志鑫,秦海鸿.非接触感应电能传输系统的频率分叉现象及移相控制策略[J].上海电机学院学报,2010,13(1):17-21.

[8]韩腾,卓放,闫军凯,等.非接触电能传输系统频率分叉现象研究[J].电工电能新技术,2005(2):44-47.

[9]HUI S Y.Planar wireless charging technology for portable electronic products and Qi[J].Proceedings of the IEEE,2013,101(6):1290-1301.

[10]钟晨明.基于磁耦合谐振无线电能传输组网结构及相关电路的研究[D].南昌:南昌大学,2015.

[11]孙家文,刘胜永,王建超,等.基于转矩分配的混合动力汽车控制策略的优化研究[J].广西科技大学学报,2017,28(1):29-34.

[12]SEDWICK R J.A fully analytic treatment of resonant inductive coupling in far field[J].Annals of Physics,2012,327(2):407-420.

[13]张斌,张彦会,史维玮,等.基于纯电动汽车的双输入双向DC/DC变换器设计[J].广西科技大学学报,2014,25(4):67-71.

 
莫云杰,罗文广,谢广明
《广西科技大学学报》2018年第02期文献

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