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补偿线圈改善角度错位偏移无线电力传输效率大增

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度4票   时间:2018年1月12日 04:34
为提升无线电力传输效率,学界提出名为「对称补偿线圈结构」的创新线圈结构。此一结构可显著减少因旋转引起的发射器和接收器间的角度错位,进而减小无线传输效率变异。

本文介绍了无线电力传输系统中提升角度错位容忍之技术,提出一种创新线圈结构--使用一对称补偿线圈结构,以改善接收机的角度偏差;并实现发射机和接收机侧组成的线圈进行验证。此设计可以显著地减少因旋转引起的发射器和接收器之间的角度错位,所造成的传能线圈之间的互感剧烈变化。从完全对齐(θ=0)到θ=30的不对齐角度错位,此变异减小至10.37%,无线传输效率变异减小约9%。

线圈限制影响无线电力传输效率
无线电力传输,或无线传能(Wireless Power Transfer, WPT)近年广泛应用于许多应用,例如行动装置、生物医学植入装置、无线电动车充电等,无需充电电缆线且无需接触可大幅提升充电之便利性。在许多非接触之应用中,线圈的设计限制(如:线圈尺寸)和使用限制(线圈错位)显著影响无线电力传输效率。

能量从发射器线圈通过线圈之间的时变磁通量传递到接收器线圈。功率传输效率主要取决于线圈品质因数(Quality Factor, Q)和耦合系数(Coupling Coefficient, k),此为决定整个系统功率传输效率的关键参数。其中线圈品质因数和线圈之设计与材料有关;

....耦合系数

表示两个线圈之实际互感量与最大互感量之比值;M是两个线圈之间的互感值,取决于两线圈之尺寸,线圈的几何结构,和相对空间位置。

除了收发线圈尺寸之规格限制之外,磁共振式无线传能之线圈须要准确地对齐,因此错位问题,含平移与角度(Lateral/Angular Misalignment)为使用上实际的问题,当错位产生,往往会大幅降低功率传输效率。平移或角度的错位降低,流过两线圈之磁通量而使互感值下降,并使整体无线电力传输变得没有效率。如此使得无线电力传输在使用上相当不便而受到限制。

近年许多研究提出改善错位容忍之技术,像是调整前级电路的谐振电路,如谐振电容和功率放大器,借此可以补偿互感的变异。有数项研究针对线圈结构设计以减少两个线圈之间的互感变化,如平面线圈阵列(Planar Coil Array)、3D线圈形状、和单线圈中线圈弯折之电流分布等。这些研究着重于改善水平侧向之错位。对于角度偏移错位,过往研究提出接收器线圈的正交绕线结构;然而在许多应用中,此类正交线圈需要较大之立体空间,对于收发端之线圈常没有足够的空间应用此设计。对于一般日常平面环境,正交接收器线圈设计是不易被接受的。在本文中,通过补偿线圈对的新线圈结构之研究来改善角度错位偏移的影响,以减缓未对准使用情境下之效率变异。

单圈线圈不对齐之互感值

具有横向和角度偏移的两个单匝线圈如图1所示,其中d,Δ和θ表示轴向距离,横向和角度偏移。RP和RS是两线圈的半径。两个线圈的互感值可由公式(1)计算[6]。


 

......公式(1)

 

图1 横向平移和角度不对齐的圆形线圈

两个多圈线圈的相互电感

对于分别具有NP和NS匝数的两个线圈,可以利用叠加原理导出两个线圈之间的互感值,如公式(2), 其中Mij是初级线圈的第i圈与次级线圈的第j圈之间的单圈互感,可由前式(1)个别求得。


......公式(2)

传能等效电路

两个线圈之间的耦合之可以传能等效电路如图2所示,其中L1和L2是线圈的自感,r1和r2是其内阻;Cr是使与L2在工作频率下产生谐振的串联谐振电容。加入谐振电容和负载的功率传输效率可由公式(3)求得:

图2 耦合线圈的等效电路
 
......公式(3)

在单一线圈下设计不受偏移角度影响之线圈,往往需要较大之3D空间或是复杂之电流相位控制。

对称补偿线圈设计发威不对齐互感变异可互补抵消

本文提出通过两对称之互补偿线圈对,且有非零之起始偏移角,此线圈结构可在发生角度错位偏移下,产生互补抵消不对齐下之互感变异。所提出的对称补偿线圈线圈可由两个相邻线圈组成,标示为A侧线圈和B侧线圈,并将此二线圈串联连接,其结构如图3所示。

图3 耦合线圈的等效电路

由前一小节可得知,收发射机之间的多线圈互感为双方的总和,因此新线圈之互感值可由公式(4)计算,其中MA和MB分别是A侧线圈、B侧线圈与接收线圈之间的互感,可分别由公式(1)得,MA和MB随接收线圈的偏转θ(偏移角度)而变化,其中d(轴向距离)=20mm,Δ(横向位移)=14mm, RP=14mm,RS=10mm。M0表示RP=30mm,Δ=0mm的原圆形发射器线圈的互感。由图4可比较M0、MA、和MB对接收机偏移角度的变化,M0从θ=0O到θ= 30O的变异量为12.34%。

图4 耦合线圈的等效电路
 
......公式(4)

当接收器线圈因旋转失去最佳对准之传输角度时,两侧对称线圈的互感则因其相反之趋势自然地在一侧增加而在另一侧减小,因此可以补偿总互耦的变异使其维持近似原设计之耦合系数。

此外,变化率不同,导致总电感随旋转变化。在进一步的改进中,如图5所示,将两侧线圈增加一个初始偏移角度φ,可观察A侧线圈和B侧线圈的互感变化率在偏差角-30O和30O处之斜率尽量接近。因此A侧线圈和和接收线圈之间的旋转角度为(θ-φ)时,B侧线圈和接收线圈之间的角度为(θ+φ)。当接受线圈旋转后,有效的横向和轴向距离可依据(5)式重新定义。通过适当选择的φ角初始值,MA的变异可以与MB的变异互相补偿。因此,如图6所示,对于较大的角度偏移,总互感保持平坦。以获得更大的实际使用之容忍角度范围。

图5 线圈(含起始角φ)旋转后之相对结构
图6 侧线圈旋转后互感与角度偏移的变化
 

 
......公式(5)

原型经系统验证补偿线圈助变异减少9%
本对称补偿线圈设计实际制作后,以此​​原型经实量验证。线圈参数见表1。线圈采用铜线SWG#42,其线径为0.1mm。匝数设为三个而非单圈以减少连接器实作之影响。通过网路分析仪(Agilent E5071C Network Analyzer)在10MHz下测量线圈之间的互感。被测线圈分别连接到网络分析仪的第1埠和第2埠。测量双埠网络的Z参数和每个线圈的自感。两个线圈之间的互感可由公式(6)来计算。


......公式(6)

测量两侧线圈互感的变化结果如图7所示。本结果接近公式(1)之计算值。测量和计算结果接近,误差在可接受之范围,且测量的变化对θ变化的变化与计算结果一致。

图7 互感变量的测量结果

所提出之发射机线圈实作并测量,实作图如图8(a)。将A侧线圈和B侧线圈串联连接,两侧的电流均为同向(顺时针方向),其结果如图8(b)所示。所提出的发射机的互感与MA和MB的理论公式符合,因此公式(4)得着验证。M的最大值出现在θ=0O,符合预期,即在对称中心线上仍是其最佳的无线传能角度,M的最小值出现在θ=30O。其中,M从θ=0O到θ=30O的变化率为10.37%,小于个别单一个线圈之变异。原M0从θ=0O到θ=30O的变化度为12.34%,因此补偿后M的变化小于M0。因此,可验证提出的对称补偿线圈设计。此外,在双侧线圈旋转初始角之后,重新定义有效的横向和轴向距离,可透过更好地放置侧线圈调整以进一步改善效能。

图8 提出之发射线圈之量测与计算的相互电感

测量的线圈自感和内阻设置如表2。原始发射机和提出的发射机,RL的最佳值分别为1.729Ω和1.11Ω。使用公试(3)计算功率传输效率,并分别正归化其最大值(θ=0O)。结果如图9所示,对于θ=0O至θ=30O,提出的线圈效率变化为15.1%,此变化小于原始线圈的变化23%,减少约9%之变异。所提出的线圈具有更大的不对齐角度偏移容忍度,其权衡考量为线圈结构之复杂度,以及所提出的线圈最大功率传递效率略小于原最大功率传递效率。


图9 无线传能线圈在角度偏移下之传输效率

本文提出使用对称补偿线圈设计,并验证所提出的线圈,可减少由接收器的角度偏移引起的互感变异,且无线传能线圈之功率传输效率变异减少约9%。此研究可进一步使用演算法提升并优化。虽然提出的结构比原来线圈更复杂,但功率传输效率对接收机在使用中未对齐线圈的角度保持不变的传输效率,并减少对整个系统前一级之调整的需要。

(本文作者分别为成大电机系教授与研究生)


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