最大功率点跟踪的无线电力传输中端操作

文摘

摘要无线电力传输(WPT)调查到中档操作考虑65厘米的距离,电力传输能力仍有可能由于最佳阻抗匹配。负载侧和源端阻抗匹配网络建立和找到一个最佳的耦合和多样的距离来实现最大功率可转让性。比较完成验证数学解释通过适当的物理实验和实测数据证实了改进的+ 3 db 60厘米负载和谐振器线圈之间的距离。

关键字

临界耦合,能量传输效率,无线电力传输,相互耦合

介绍

研究无线权力转移(WPT)技术自1880年代开始,WPT的最早的实验是由尼古拉·特斯拉(1- - - - - -6]。采用交流电50千赫减轻白炽距离1899年。此后无线电力传输的概念(WPT)已经被研究了一个世纪的主题。WPT技术的发展一直很缓慢很长一段时间,直到2007年,马林索尔贾希克谁从麻省理工学院(MIT)有一个新的突破。他们用两米外的电源点亮一个60 w灯泡(1- - - - - -6]。这一成就提升WPT技术的发展迈出了一大步。在过去的几十年里,迅速发展半导体和集成电路技术,电子设备迅速走进我们的生活,越来越多的电线(7]。这些电线严重使我们生活的障碍。的安全这些电线和可靠性与长期使用变得更糟。此外,频率插头接口也可以收缩电气设备的生命周期。由于有线电源的局限性,人们开始越来越转向无线电力。

无线电力传输(WPT)是一个新兴技术现在实质上获得更多利益由于他们的贡献在技术领域如生物医学科学8- - - - - -11)、电子(12- - - - - -15和汽车行业16- - - - - -19]。WPT系统主要由磁耦合线圈和匹配电路。发射机之间的磁耦合(TX)和接收器(RX)实际上取决于输入和输出阻抗条件是逆相关的距离(20.]。通常,可调谐LC阻抗匹配网络是用于转换整体电路阻抗,但有损匹配网络增加了功率损耗,降低了效率。在这项研究中,一个高效WPT系统设计使用循环尺寸TX和RX线圈由多刨床中继器线圈形状。电力传输效率优化的优化耦合系数。直到现在,很多人一直在努力改善WPT技术以及它的应用可以分为三个类别:电磁铁ic感应(21- - - - - -23),磁共振(24- - - - - -26),和微波功率传输(27,28]。磁谐振耦合被认为是最适合WPT应用程序由于其传播范围和效率比较高的感应耦合和微波(29日]。谐振耦合WPT的传输距离是有限的,由于减少了磁耦合线圈轴向分离TX和RX。低耦合的影响可以有所补偿采用高质量的因素“Q”(Q = (1 / R) (L / C) 1/2) TX / RX线圈[30.]。尽管如此,在实际WPT系统、线圈的品质因数变得有限,由于加载的影响源/负载电阻和电阻丝的损失。此外,高品质因数导致电路的磁场上升由于高电抗和对人体可能造成负面影响31日- - - - - -33]。WPT TX的性能很大程度上取决于其设计电路(34,35]。线圈的位置也大大影响系统阻抗失配,导致损失的权力转移(36]。我们提出了优化方法在最优位置将帮助在某些距离线圈之间的匹配。在之前的分析中,许多复杂的电路和技术带进占WPT系统。

在本文中,我们调查了最大功率点跟踪的WPT中档操作。这是紧随其后的是模拟实验验证后适当的前景。

方法

有效的权力交接的基本WPT电路模型

耦合共振展览属性能量转移系统中某些频率的最大理由。)中这样一个强耦合的磁共振(供应链管理评论可能会故意转移能量到中档当发射器(TX)和接收器(RX)是一个频率。这种类型的传播需要一个连续改变TX和RX内感应磁场线圈,因此介绍了交流传动在TX和RX电流线圈。维持一个共振频率、电容器被认为是接收和传输双方。在共振频率,这样,所有的力量都可以转移作为TX和RX在相同的频率产生共鸣。品质因数的确定对每个线圈必须足够高,以考虑高传播率。在WPT,一个有效的权力交接需要之间的匹配网络负载的主要来源。在图1 (a),代表了等效电路和WPT的简单图形的解释。如果源和负载阻抗R_年代+ jX_年代和R_l+ jX_l,权力从源到负载成为最大的时候R_年代= R_l和X_年代= X_l对于任何固定R_年代时,输出功率会最大化R_年代= R_l并增加的条件R_l> R_年代系统的总效率可以通过以下表达式Eqn找到。(1)。

(1)

从图1 (b)最大的能源效率不能超越50%在这一原则下,这意味着一半的力量,会在源电阻消散。尽管如此,在这篇文章中,因此被认为是一种有效的权力交接模型与最佳耦合机制。

最大的能源效率原则

在一个基本概念,当损失R_年代最小化从而可以提高效率。在WPT系统中,可以最小化损失以不同的方式;的技术之一就是匹配阻抗。在图1 (a),导电的损失仅仅是由于导体的交流电阻和电源电阻的功率损耗。因此,根据方程1中,我们可以用低电阻R_年代在源端增加系统的能源效率。在使用高频率的情况下,利兹线可以用来减少损失即提高效率。在WPT多线圈谐振WPT贡献相当的简单效率和距离之间的权衡。3线圈RCWPT模型的一般模型描述了一个中间多向线圈图2 (a)TX和RX线圈使用单一把自我和寄生参数,可以避免不匹配阻抗TX和RX。产生共鸣的操作都是在双方R-L-C系列组合。能量转移目标建模与总距离(d)之间的TX和RX线圈。增强一个中继器线圈的距离(在那里,总距离d = dTX + dRX图2 (a)然而,PTE的微小增量大幅降低距离。在这项研究中三个线圈WPT系统,一个健壮的技术描述的优化机制是提高系统性能。理解关键线圈之间的交互,可以预见到线圈与每个另一个春天,一个弱耦合将提供与适度距离能量传递效率高,反之亦然。在共振实现效率高,而所有的线圈能够诱导磁通量传输到负载的能量。随着耦合系数的函数权力交接和耦合系数主要取决于变量参数和距离,这样可以最大化PTE提供线圈之间的适当的调优。所有线圈都是提供高质量的因子(Q)和耦合系数低容易转移能力。电路中安排,交流电压源和串联电阻(RS)代表了e类PA输出,从而激发TX线圈驱动频率。因为负载效应会降低性能,可以减少ω2M倍/ R (M =互感)使用喂养循环作为TX / RX线圈与多谐振器之间的磁罗经复示器[3 - 5]。中间谐振器,继电器的磁场TX的处方,将很容易提高磁耦合在长途。交叉耦合TX和RX之间忽略由于其小的价值相对于TX和中继器之间的耦合系数(kTX)线圈和RX线圈(kRX)中继器。

分析一个简单的工作模型3线圈结构所示图2 (b),所有视为平面螺旋线圈来避免寄生集中的元素。RPT, Rrep和RPR的固有电阻TX,中继器和RX线圈。rl和RS是负载和电源电阻。Lx和Cx (x = TX,代表和RX)串联连接。CTX、Crep CRX TX的谐振电容,分别中继器和RX线圈。共振的参数与操作频率保持不变。CTX被认为是输出匹配网络的e类PA的寄生电容谐振器。除了这个模型中,一个射频功率放大器是为了得到一个好的获得与排水效率高。考虑到载流导体的毕奥萨伐尔定律,交流电(AC)介绍了信号发生器的得到一个振荡磁场能存储能量在肝和感应电动力(e.m.f) Lrep最后转入LRX。线圈之间的互感系数可以通过找到诺伊曼的公式;

(2)

,Mxy是两个线圈之间的互感,Nx,纽约分别把数量的初级和次级线圈,同样的处方,从初级和次级线圈的半径。依据它们之间的距离。集总电感器和电容器等元素包括虚构的价值表现在WPT有损的元素。因此,它是整个WPT系统运行所需要的共振频率考虑最大的权力交接。在这个工作中,共振频率(f0)保存等;

(3)

根据基尔霍夫电压定律(在任一瞬间)应用电电路模型图2 (b)是;

(4 - 6)

Rx, Lx,残雪,第九,kx的总阻力,线圈电感、谐振电容、线圈电流和耦合系数各自x = TX / Rx /代表。这里,RTX = RS + RPT和RRX = RL +弹性分组环,在共振,考虑ω=ω0我们可以得到,

(7)

最后,方程(4 - 6)可以推导出一个矩阵形式;

(8)

,代表每个线圈的阻抗转换比率(x = TX / RX /代表)。从Eqn。(8),负载电流可以派生;

(9)

Eqn。(9)表明,中继器性能的个人独立R-L-C值,而取决于每个线圈的品质因数(Qx = x线圈的品质因数,x = TX / RX /代表)。因此,负载电压六世可以发现,V_l=−我_处方×R_l。在传统的分析方法,它需要理解前进波传播(S21)之间的谐振耦合线圈。考虑TX和RX线圈传输功率3线圈系统| S21 |可以计算(4]之后

(10)

PNA-X (Key-sight - n - 5241 a)是用来衡量实际耦合系数kTX和韩交所测量的距离。在一个典型的分析,| S21 |可以找到

(11)

,RG = RS + RPT RRX = RL + RPR指示的总输入和输出电阻分别TX和RX线圈。理论图对距离可以通过评估方程11。

结果和讨论

评估线圈传输效率,有必要考虑功耗的TX和RX的权力转移到负载。在源与负载电阻的给定值,TX和中继器之间的耦合优化的函数repeater-to-RX耦合效率最大化。的线圈传输效率PTE WPT系统可以表示计算每个线圈效率的;

(12)

这里,TX的效率,分别中继器和RX线圈。从方程12很明显,耦合系数和Qrep电力传输起着根本性的作用。PTE的理论分析和kTX Qrep所示图3(一个)。从图可以看出TX,中继器之间的弱耦合线圈Qrep选择提供了更好的性能。一般来说,大多数的功率损耗发生在TX部分而不是中继器。因为损失TX线圈由线圈导体损耗以及驱动电路损失,而中继器只包含导体损失损失。因此,总体性能很大程度上取决于而;

(13)

因此,有必要减少方程14实现高功率传输的负载。这可以通过中继器的最佳调优RX耦合根据中继器之间的轴向方向和RX线圈。以一阶导数kRX最佳耦合系数可以表示

(14)

在那里,因此,中继器线圈之间的最优位置RX线圈找到最大效率;

(15)

韩交所(选择)是最优中继器之间的耦合系数在一个特定的最优位置和RX线圈。电力传输和效率通常降低当传统的中继器的位置明显偏离TX和RX线圈之间的中点6]。然而,提出灵活的位置调优防止性能退化,并确保适当的阻抗匹配不改变原系统的共振频率(图3 (b))。选择最优优化耦合系数方程15确保WPT系统运行与适当的输入和输出阻抗为任何所需的负载(在本研究中50Ω)。在表1,说明了谐振耦合WPT的实验装置与中继器线圈放置在TX和RX线圈之间的中心。TX和RX线圈设计为环形谐振器(平均直径14.9厘米和0.2厘米间距为6.5转)。下面在线圈规范表1。

表1:线圈规范WPT的实验。

方法论的鲁棒性

加载依赖使用自适应调优是一个真正的问题在电子(由于单一设备能够multi-load) (图4 (a)使用e类PA),这是非常敏感负荷急剧变化和降解效率。这是因为整个设计问题将分崩离析的轻微变化阻抗(图4 (b))。使用反映负载理论(RLT)在WPT找到阻抗比例变换,一个强大的阻抗匹配网络的关键操作的主要和次要方面有效线圈功率传输(图5(一个))。在这项研究中,一个L-matching网络也都在主要和次要用于阻抗匹配(图5 (b))。此外,每当线圈分离了,总有一个中断的耦合系数然后补偿。它更有可能之间的权衡之间的强和弱耦合kTX和韩交所所示图6。

由于期货交易所与kTX之间的权衡,一个小变化的负载(RL)也可以使用这种方法来处理。这是因为每个距离线圈之间的耦合系数的变化,导致了阻抗负载率变化,从而反映到源。通过考虑的最佳耦合线圈传输效率损失可以忽略。kTX之间的适应调优和韩交所也不同于其他作品。平坦的增益或平面传输效率是使用最佳耦合技术在这项研究中发现的。从图3 (b)线圈传输效率的大幅增加是发现,20厘米,然后达到一个最大按线圈分离距离的增大而减小。

结论

在这个研究中,整个WPT链接是发达与最佳调优机制。Multi-coil谐振器是用来提高操作更高的距离。进行了一个实验来证明这个理论及其发展。随着我们知道线圈分离将会降低整个WPT链接,因此PTE和阻抗的不匹配,对齐,和共振频率将创建sub-resonance发展被认为是在所有这些情况下的链接。本文系统得到最优耦合机制动态匹配阻抗而共振频率保持固定在操作。介绍的方法开发和验证提高multi-coil WPT PTE和距离的链接。设计指南考虑最优条件绘制使用等效电路模型,因此建立在实验。使用最佳耦合技术,该方法是有效和最佳耦合值的经验公式是由应用阻抗匹配原则源与负载电阻的最佳值。耦合优化的效果是调查进行到两个不同的multi-coil效果。首先从理论上模拟和验证,证明与实验研究。 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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