无线功率传输中程最大功率点跟踪

摘要

在本文中，无线功率传输(WPT)在考虑65 cm距离的情况下，由于最佳阻抗匹配，功率传输能力仍然是可能的。建立负载侧和源侧阻抗匹配网络，找到最佳耦合，并在每个距离上进行变化，以实现功率的最大传递。通过物理实验验证了数学解释的正确性，实测数据证实了在负载与谐振腔线圈距离为60 cm时提高了+3dB。

关键字

关键耦合，功率传输效率，无线功率传输，相互耦合

简介

无线技术的研究权力传输(WPT)技术始于19世纪80年代，最早的WPT实验由尼古拉·特斯拉[1-6］．1899年，人们采用50千赫的交流电远距离点亮白炽灯。从那时起，无线电力传输(WPT)的想法已经成为一个多世纪的研究主题。WPT技术的发展一直非常缓慢，直到2007年，来自麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic取得了新的突破。他们用两米外的电源点亮了一个60W的灯泡[1-6］．这一成果推动了WPT技术的发展迈出了一大步。在过去的几十年里，随着的快速发展半导体而集成电路技术，电子设备随着越来越多的电线迅速进入我们的生活[7］．这些电线严重地扰乱了我们的生活。的安全这些电线的可靠性随着使用时间的延长而变差。此外，频率插头接口也会缩短电气设备的使用寿命。由于有线电源的局限性，人们开始越来越多地将目光转向无线电源。

无线功率传输(WPT)是一种新兴技术技术由于他们在生物医学等技术领域的贡献，他们现在得到了更多的关注[8-11]，电子的[12-15]及汽车工业[16-19］．WPT系统主要由磁耦合线圈和匹配电路组成。发射机(TX)和接收机(RX)之间的磁耦合实际上取决于输入和输出阻抗条件，而阻抗条件与距离成反比[20.］．一般采用可调LC阻抗匹配网络对整体电路阻抗进行变换，但有损耗匹配网络会增加功率损耗，降低效率。在本研究中，设计了一种高效的WPT系统，该系统使用环形TX和RX线圈，由多圈刨形中继器线圈隔开。通过调整耦合系数，优化了功率传输效率。到目前为止，人们在改进WPT技术及其应用方面做了很多努力，主要分为三类:电磁铁集成电路感应[21-23]、磁共振[24-26]，以及微波功率传输[27，28］．磁谐振耦合被认为是最适合WPT应用的，因为与感应耦合和微波相比，它具有更高的传输范围和效率[29］．在谐振耦合WPT中，由于TX和RX线圈之间轴向分离的磁耦合减小，传输距离实际上是有限的。低耦合的影响可以通过采用高质量因子' Q ' (Q=(1/R)(L/C)1/2) TX/RX线圈得到一定程度的补偿[30.］．然而，在实际的WPT系统中，由于源/负载电阻和导线欧姆损耗的加载效应，线圈的q因子受到限制。此外，高q因子会导致电路的磁场因高电抗而上升，可能对人体造成不利影响[31-33］．WPT的性能在很大程度上取决于其TX电路的设计[34，35］．线圈的位置也会极大地影响进入系统的阻抗不匹配，导致功率传输的损失[36］．我们提出的在最佳位置的调谐方法将有助于在一定距离内线圈之间的匹配。在先前的分析中，WPT系统涉及到许多复杂的电路和技术。

本文研究了WPT在中程运行时的最大功率点跟踪问题。在进行了适当的仿真展望后，进行了实验验证。

方法

高效功率传递的基本WPT电路模型

一个耦合共振显示的性质，转移能量在一个系统的最大情况下，某些特定的频率。当发射机(TX)和接收机(RX)被调谐到一个频率时，强耦合磁共振(SCMR)可以故意将能量转移到中频。这种类型的传输需要TX和RX线圈内感应磁场的持续改变，因此在TX和RX电流线圈内引入交流传输。为了保持谐振频率，电容器被认为是接收端和发射端。因此，在谐振频率下，所有的功率都可以传输，因为TX和RX都在同一频率下谐振。为每个线圈确定的“q因子”必须足够高，以考虑高传输速率。在WPT中，有效的功率传输需要主电源与负载之间的匹配网络。在图1 (a)，表示等效电路和WPT的简单图形说明。如果源阻抗和负载阻抗为R_年代+ jX_年代而且R_l+ jX_l时，电源给负载的功率最大R_年代= R_l而且X_年代= X_l对于任何固定的R_年代时，输出功率将达到最大R_年代= R_l的条件下增加R_l> R_年代系统的总效率可以通过Eqn中的表达式得到。（1）.

(1）

从图1 (b)在此原理下，最大能量效率不能超过50%，这意味着一半的功率将在源电阻中耗散。尽管如此，本文考虑了一个具有最优耦合机制的高效功率传递模型。

最大能源效益原则

在一个基本的概念里，当亏R_年代最小化，从而提高效率。在WPT系统中，可以通过各种方法使损耗最小化;其中一种技术是匹配阻抗。在图1 (a)时，导电损耗仅是由于导体的交流电阻和源电阻中的功率损耗。因此，根据公式1，我们可以使用低阻力R_年代在源端提高系统的能源效率。在使用高频的情况下，可以使用利茨线，以减少损耗，即提高效率。在WPT中，多线圈谐振WPT有助于简化效率和距离之间的相当权衡。中描述了中间多匝线圈的三线圈RCWPT模型的一般模型图2 (a)， TX和RX线圈使用单圈，以避免自和寄生电容，可以不匹配的阻抗在TX和RX方面。谐振操作保持在两侧R-L-C串联组合中。目标能量传递建模为TX和RX线圈之间的总距离(d)。中继器线圈增强了距离(其中，总距离d=dTX+dRX in图2 (a)而PTE则随着距离的增加而急剧下降。本文针对三线圈WPT系统，提出了一种鲁棒调优技术，以提高系统性能。为了理解线圈之间的关键相互作用，人们可以预测线圈与弹簧相互连接，弱耦合将提供中等距离能量传输的高效率，反之亦然。谐振时效率高，所有线圈都能感应磁将能量传递给负载的通量。由于耦合系数是功率传递的函数，耦合系数主要取决于可变参数和距离，因此通过在线圈之间提供适当的调谐，PTE可以最大化。所有线圈都具有高质量的因数(Q)，耦合系数保持低，易于传输功率。在电路布置中，交流电压源和串联电阻(RS)代表e类PA输出，在驱动频率为TX线圈供电。由于加载效应会降低性能，使用馈电环作为TX/RX线圈，在它们之间使用多圈谐振器作为磁中继器，可以降低ω2M/R (M=互感)的一个因子[3-5]。中间谐振腔将磁场从TX传递到RX，可以很容易地改善长距离的磁耦合。由于TX与中继器线圈(kTX)和中继器与RX线圈(kRX)的耦合系数较小，因此TX与RX的交叉耦合被忽略。

为了分析一个简单的三线圈结构的工作模型，如图所示图2 (b)，其中所有线圈都被认为是一个平面螺旋，以避免寄生集总元件。RPT、rerep和RPR分别是TX、Repeater和RX线圈的本征电阻。R-L和RS分别为负载电阻和源电阻。Lx和Cx (x=TX, rep和RX)串联。CTX、Crep和CRX分别是TX、Repeater和RX线圈的谐振电容器。谐振电容与工作频率保持恒定。考虑CTX与谐振腔的寄生电容一起作为e类PA的输出匹配网络。此外，还设计了一种射频功率放大器，以获得良好的增益和高漏极效率。考虑到载流导体的比奥-萨伐尔定律，在信号发生器中引入交流电产生振荡磁场，将能量存储在LRX中，并在Lrep中诱导出电动势(e.m.f)，最后传递到LRX中。线圈间的互感可通过诺伊曼公式求出;

（2）

式中，Mxy为两个线圈间的互感，Nx、Ny分别为初级线圈和次级线圈的匝数，rx、ry为初级线圈和次级线圈的半径。Dxy是它们之间的距离。集总元件如电感和电容器由虚值组成，在WPT中表现为有损耗元件。因此，要求整个WPT系统以其谐振频率运行，以考虑最大功率传输。在本工作中，谐振频率(f0)保持如下;

（3）

根据基尔霍夫电压定律(KVL)应用于此电电路模型图2 (b)是;

(4 - 6)

式中，Rx、Lx、Cx、Ix、kx分别为x=TX/ Rx /rep时的总电阻、线圈电感、谐振电容、线圈电流和耦合系数。这里，RTX=RS+RPT, RRX=RL+RPR，在共振时，考虑ω=ω0，我们可以得到，

(7）

最后，式(4-6)可以推导为矩阵形式为;

（8）

其中，为每个线圈转换后的阻抗比(x=TX/RX/rep)。从Eqn。(8)、负载电流可推导为;

（9)

Eqn。(9)表示中继器的性能与单个R-L-C值无关，而是取决于每个线圈的Q因子(Qx= x线圈的Q因子，其中x=TX/RX/rep)。可得负载电压VL为:V_l=−我_处方×R_l．在传统的分析方法中，需要了解谐振耦合线圈之间的前向波传输(S21)。考虑TX和RX线圈对3线圈系统|S21|进行功率传输，可计算[4]如下所示

（10）

PNA-X (Key-sight- N-5241A)用于测量被测距离的实际耦合系数kTX和kRX。在一个典型的分析中，|S21|可以被发现为

（11）

其中，RG=RS+RPT, RRX=RL+RPR，分别表示TX和RX线圈的总输入电阻和总输出电阻。关于距离的理论图可以通过计算式11得到。

结果及讨论

为了评估线圈传输效率，有必要考虑TX和RX中的功耗以及传输到负载的功率。在给定的源电阻和负载电阻值下，TX和中继器之间的耦合被调整为中继器- rx耦合的函数，从而使效率最大化。WPT系统的线圈传输效率PTE可表示为计算各线圈效率，其中;

（12）

这里，和分别是TX、中继器和RX线圈的效率。由式12可知，耦合系数和Qrep对良好的功率传输起着重要作用。PTE与kTX和Qrep的理论分析图3(一个)．从图中可以观察到，TX到中继器线圈之间的弱耦合在选择Qrep时提供了更好的性能。一般情况下，大部分的功率损失发生在TX部分，而不是中继器。这是因为TX线圈的损耗包括线圈导体损耗和驱动电路损耗，而中继器的损耗只包括导体损耗。因此，整体性能很大程度上取决于;

（13）

因此，要在负载下实现高功率传输，有必要使式14最小化。这可以通过根据中继器和RX线圈之间的轴向优化调谐中继器到RX耦合来实现。求一阶导数，kRX的最佳耦合系数可由

(14）

在那里,因此，找到了中继器线圈与RX线圈之间的最佳位置以获得最大效率;

(15)

其中kRX(Opt.)为中继器与RX线圈之间某一最佳位置处的最佳耦合系数。当传统中继器的位置明显偏离TX和RX线圈之间的中点时，功率传输和效率通常会降低[6］．然而，所提出的灵活位置调谐防止了性能退化，并确保充分的阻抗匹配，而不改变系统的原始谐振频率(图3 (b))．选择公式15中的最优调谐耦合系数，以确保WPT系统在任何所需负载下具有适当的输入和输出阻抗(在本研究中50 Ω)。在表1，说明了共振耦合WPT的实验设置，在TX和RX线圈之间放置一个中继器线圈。TX和RX线圈都被设计成环形谐振器(平均直径14.9厘米，转弯间距0.2厘米，6.5圈)。线圈规格如下表1．

表1:WPT实验线圈规范。

方法论的鲁棒性

使用自适应调优的负载依赖在电子产品中是一个真正的问题(由于单个设备能够进行多个负载)(图4 (a))使用e类PA，它对负载变化非常敏感，效率大大降低。这是因为整个设计问题会因为阻抗的微小变化而崩溃(图4 (b))．利用反射负载理论(RLT)来寻找WPT中的阻抗比转换，一个强大的阻抗匹配网络掌握了有效线圈功率传输的主要和次要侧的关键操作(图5(一个))．在本研究中，主端和从端均采用l匹配网络进行阻抗匹配(图5 (b))．而且，每当线圈分离时，总会出现耦合系数的中断，并得到补偿。它更可能是kTX和kRX之间强耦合和弱耦合之间的权衡图6．

由于kRX和kTX之间的权衡，也可以使用此方法处理小的负载变化(RL)。这是因为线圈之间的耦合系数每距离变化，导致阻抗比变化，从而反射到源的负载。通过考虑最优耦合，可以忽略线圈传输效率损失。kTX和kRX之间的自适应调优也与其他作品有所不同。在本研究中，利用最佳耦合技术得到了平坦增益或平坦传输效率。从图3 (b)，在20 cm时，线圈传输效率急剧增加，之后达到最大值，并随着线圈分离距离的增加而降低。

结论

在本研究中，采用最优调优机制开发了一个完整的WPT链路。多线圈谐振器用于提高操作距离。通过实验验证了该理论及其发展。我们知道线圈分离会降低整个WPT链路，因此PTE以及阻抗、对齐和谐振频率的不匹配会产生子谐振，在所有这些情况下都要考虑链路的发展。本文在保持谐振频率不变的情况下，将系统置于动态匹配阻抗下的最优耦合机制下。开发并验证了该方法可以提高多线圈WPT链路的PTE和距离。利用等效电路模型绘制了考虑最佳条件的设计导则，并在实验过程中构建。本文利用最优耦合技术，利用阻抗匹配原理，建立了源电阻和负载电阻最优耦合值的经验方程。研究了耦合调谐对两种不同的多线圈效应的影响。首先进行了理论模拟和验证，并通过实验研究进行了验证。 Simulation results are in positive consent and well matched with the theoretical model. Experimental results have shown the proposed method increases the PTE up to 85% at original resonant frequency along with an extended operating range. Moreover, the proposed technique can successfully compensate the splitting of the resonant frequency and confirms adequate matching on both sides of the WPT system.

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