0 引言

    傳感網(wǎng)技術(shù)作為21世紀(jì)的一個(gè)重要新興科技領(lǐng)域，在理論應(yīng)用和市場方面保持著高速發(fā)展。任何用于傳感網(wǎng)的傳感器都需要電源。目前這些傳感器的電源都是直接或者間接來源于電池。隨著傳感網(wǎng)中大量微納傳感器分散布置在寬廣的區(qū)域，傳統(tǒng)的利用電池來提供電源及更換電池的方法不再適用。因此發(fā)展新型的傳感器供電系統(tǒng)是傳感網(wǎng)微納傳感器應(yīng)用的迫切要求。

    從1893年Nikola Tesla利用無線電能傳輸原理點(diǎn)亮了熒光照明燈，到2013年AKASOL公司為龐巴迪公司推出了鋰離子電池?zé)o線感應(yīng)充電技術(shù)，無線電能傳輸技術(shù)取得了長足的發(fā)展^[1-4]。在理論研究方面，André Kurs等人用數(shù)學(xué)模型描述了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法并說明高Q值的線圈可以提高系統(tǒng)的傳輸效率和傳輸距離^[5]。采用超導(dǎo)體材料構(gòu)建的振蕩系統(tǒng)和線圈以及低的工作頻率可以降低系統(tǒng)的損耗達(dá)到提高傳輸效率的目的^[6]。在實(shí)驗(yàn)研究方面，Marin Soljacic的團(tuán)隊(duì)在2007年利用磁諧振耦合無線能量傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)亮2 m外一個(gè)60 W的燈泡，而在2009年該團(tuán)隊(duì)增加了中繼線圈，搭建了三諧振系統(tǒng)，最終發(fā)現(xiàn)其比僅有發(fā)射和接收線圈的二諧振系統(tǒng)的傳輸效率要高^[7]。

    在目前實(shí)際的應(yīng)用中，基于發(fā)射、中繼、接收線圈構(gòu)成的磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)具有簡單的結(jié)構(gòu)，是最易于實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)，然而鮮有關(guān)于這些線圈結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化的報(bào)道。考慮到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的微傳感器供電實(shí)際應(yīng)用中傳輸距離遠(yuǎn)、傳感器數(shù)量多以及微型化的要求，本文著重研究了在低頻、小尺寸下增強(qiáng)線圈、多個(gè)接收端、隔磁材料（隔磁片）對磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸距離和效率的影響與優(yōu)化。分別對有發(fā)射和接收線圈、單個(gè)增強(qiáng)線圈、諧振線圈附加隔磁片、多接收端4種情況分別進(jìn)行研究，并與理論模擬的效率進(jìn)行對比。

1 實(shí)驗(yàn)

    磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、直流電源、驅(qū)動電路(功率放大電路)、發(fā)射和接收線圈、整流濾波電路、負(fù)載組成(圖1)。為保證實(shí)現(xiàn)諧振傳輸，本實(shí)驗(yàn)所搭建的低功率、小尺寸結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)中兩個(gè)線圈的參數(shù)保持一致。

    實(shí)驗(yàn)中線圈采用匝數(shù)N均為20匝、直徑均為6.5 cm、0.01 mm×40的李茲線，電容為1.5 nF。MOS管采用IR公司的IRF540N，該MOS管耐壓值為100 V，最大漏極電流達(dá)到33 A，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間均為35 ns。MOS管驅(qū)動芯片為IR公司生產(chǎn)的MOS管驅(qū)動芯片,具有體積小、集成度高、響應(yīng)快、驅(qū)動能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)且成本低、易于調(diào)試^[8]。信號發(fā)生器采用RIGOL公司的DG1022，直流電源型號為DP1116 A。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作頻率(諧振頻率)為536 kHz，供給諧振線圈的直流電源電壓為10 V。

    系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率是使接收線圈上的負(fù)載兩端的電壓達(dá)到最大(本實(shí)驗(yàn)采用1 kΩ電阻代替負(fù)載)。固定發(fā)射線圈，和接收線圈保持同軸、平行放置。每移動一次接收線圈調(diào)節(jié)信號頻率以保持負(fù)載上的電壓值最大，并記錄發(fā)射功率。在分別做完原始系統(tǒng)和帶有一個(gè)增強(qiáng)、附加隔磁片、多接收端系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之后計(jì)算系統(tǒng)傳輸效率，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果后得出結(jié)論。

2 結(jié)果與討論

    本文的研究是基于一個(gè)增強(qiáng)線圈的三諧振系統(tǒng)，三個(gè)線圈的尺寸相同，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

    與Marin Soljacic的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中采用線圈自身的寄生電容構(gòu)成諧振系統(tǒng)相比^[5]，本文中采用外接電容與線圈為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)諧振頻率更容易調(diào)節(jié)并避免使用過程中的其他因素導(dǎo)致線圈自身的寄生電容發(fā)生改變，進(jìn)而使得諧振頻率發(fā)生改變導(dǎo)致系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)共振傳輸^[9]。本系統(tǒng)中增強(qiáng)線圈放置在發(fā)射線圈和接收線圈之間用來提高系統(tǒng)的傳輸距離和效率。為保證系統(tǒng)正常工作，發(fā)射、增強(qiáng)、接收線圈的諧振頻率相同以達(dá)到共振。增強(qiáng)線圈僅由線圈和電容組成，且其參數(shù)和發(fā)射、接收線圈完全一致以保證增強(qiáng)線圈和發(fā)射、接收線圈實(shí)現(xiàn)共振傳輸。由于增強(qiáng)線圈僅由諧振線圈和諧振電容組成，因此具有很高的品質(zhì)因數(shù)^[7]。系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)射線圈和增強(qiáng)線圈發(fā)生耦合共振，再通過增強(qiáng)線圈與接收線圈之間的耦合諧振傳輸給接收線圈。最后，接收線圈將能量供給負(fù)載使用。

    首先研究增強(qiáng)線圈對系統(tǒng)傳輸效率的影響。結(jié)果如圖3所示，在其他參數(shù)不變的情況下，分別測試有、無增強(qiáng)線圈兩種情況下對傳輸效率影響。

    當(dāng)加入一個(gè)增強(qiáng)線圈，同時(shí)固定接收線圈和發(fā)射線圈的位置，移動增強(qiáng)線圈的位置并調(diào)節(jié)頻率可改變輸出效率。從圖3中可以看出，隨著傳輸距離的增大，系統(tǒng)的傳輸效率不斷下降。這是由于隨著距離的增加線圈之間的互感系數(shù)減小，使得傳輸效率下降。然而從圖3可以看出,在有增強(qiáng)線圈的情況下, 即使在較遠(yuǎn)距離處，其傳輸效率要明顯大于沒有增強(qiáng)線圈的情況。在4～7 cm的傳輸距離內(nèi)，傳輸效率可增加20%。其原因在于當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感系數(shù)急劇下降導(dǎo)致效率降低；而當(dāng)有增強(qiáng)線圈時(shí)其放大了來自發(fā)射線圈的能量，其等同于減小了發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離，提高了效率^[7]。

    然后研究了兩個(gè)接收端對傳輸效率的影響。由于發(fā)射線圈所建立磁場的方向并不是指向單一的方向，為改善效率，考慮在前后各放置一個(gè)接收線圈，接收線圈1和接收線圈2，兩個(gè)接收線圈使用相同的負(fù)載，如圖4所示。

    為了確保磁耦合共振，發(fā)射線圈和兩個(gè)接收線圈的電感、尺寸、材料等參數(shù)保持不變。實(shí)驗(yàn)時(shí)保持發(fā)射線圈固定，同時(shí)移動兩個(gè)接收線圈以保持接收線圈1和接收線圈2與發(fā)射線圈的距離相等。

    如圖5所示，隨著兩個(gè)接收線圈與發(fā)射線圈距離越來越遠(yuǎn)，兩種系統(tǒng)傳輸效率均逐漸下降。但兩個(gè)接收端系統(tǒng)的傳輸效率要比一個(gè)接收端的效率高。因此增加了一個(gè)接收端實(shí)際提高了發(fā)射線圈能量的利用率。

    最后研究了隔磁片對傳輸效率的影響。隔磁片是一種具有較高導(dǎo)磁性能的磁性片，能高度聚集磁通Φ值，防止磁能量在空氣或其他物體上傳導(dǎo)發(fā)生能量損失^[10]，起到隔磁、磁屏蔽、增加電感，從而提高充電效率，降低充電器發(fā)熱量的作用。實(shí)驗(yàn)中采用硬質(zhì)錳鋅鐵氧體隔磁片，分別將隔磁片貼附在發(fā)射線圈和接收線圈的背面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

    從圖中可以看出，當(dāng)接收線圈貼附隔磁片時(shí)傳輸效率最高，其與原系統(tǒng)相比效率提升效果明顯。而給發(fā)射線圈貼附隔磁片傳輸效率最低。因此在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)將隔磁片貼附在接收線圈一面，至于貼附在發(fā)射線圈一面?zhèn)鬏斝式档停蛏写芯俊?/p>

3 討論

    本實(shí)驗(yàn)中搭建系統(tǒng)的等效電路模型如圖7所示。

    其中，V_S為等效交流源，C₁、C₂為諧振電容，L₁、L₂為線圈電感，R₁、R₂為線圈內(nèi)阻，R_S為電源內(nèi)阻，M為兩線圈的互感，R_L為等效負(fù)載電阻，i₁、i₂為回路電流。由圖中電流方向列寫KVL方程有：

    而對于多接收端的情況，兩個(gè)接收端時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率要高于一個(gè)接收端。這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)接收端同時(shí)工作時(shí)，在一定傳輸距離情況下，接收端所鉸鏈的總磁通比單個(gè)接收端工作時(shí)要大，更有效地利用了發(fā)射端所激發(fā)的磁場，所以多接收端同時(shí)工作時(shí)其總傳輸效率要比單個(gè)接收端工作時(shí)大^[12]。

    接收線圈附加隔磁材料增大了系統(tǒng)的傳輸效率可由式(8)來解釋。當(dāng)線圈不加隔磁材料時(shí)，μ_n=1；當(dāng)線圈加隔磁材料時(shí)，μ_n>1使得互感M增大提高耦合系數(shù)k進(jìn)而調(diào)高了系統(tǒng)的傳輸效率。

4 結(jié)論和展望

    增強(qiáng)線圈、多接收端、隔磁材料對磁耦合諧振傳輸影響的研究表明，優(yōu)化的設(shè)計(jì)能提高傳輸?shù)木嚯x和效率。這對于以后設(shè)計(jì)磁耦合諧振傳輸與設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的使用價(jià)值。

    此外，本文目前僅僅研究了磁耦合諧振無線能量傳輸中小功率、低頻的情況。進(jìn)一步微納傳感器無線供電方面研究可望在高頻、中等功率情況下提高傳輸距離、傳輸效率以及電能的收集等問題上取得突破。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜秀.磁諧振耦合無線能量傳輸機(jī)理及實(shí)驗(yàn)裝置研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[2] GREEN A W，BOYS J T.10 kHz inductively coupled power transfer-concept and control[C].Proceeding of fifth international conference on power electronics and variable-speed drives，1994：694-699.

[3] BOYS J T，COVIC G A，GREEN A W.Stability and control of inductively coupled power transfer systems[J].IEE Proceedings-Electric Power Applications，2000，147(1)：37-43.

[4] 汽車電子.AKASOL公司推出感應(yīng)充電系統(tǒng)[EB/OL].http：//www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0809/article_7670.html，2013-08-09/2015-09-03.

[5] ANDRE K，ROBERT M.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317(6)：83-86.

[6] RAYMOND J，SEDWICK.Long range inductive power transfer with superconducting oscillators[J].Annals of Physics，2010(325)：287-299.

[7] 董燕.低頻小尺寸高效無線電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(5)：62-64.

[8] 任立濤.磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[9] 董燕.微型傳感器無線供電裝置的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[10] 深圳夏特?zé)o線充電器隔磁片廠家.無線充電器隔磁片有什么作用?[EB/OL].http：//www.wuxianchongdiancicai.com/show-129-161.html, 2014-02-10/2015-11-12.

[11] TUCKER C A，WARWICK K，HOLDERBAUM W.A contribution to the wireless transmission of power[J].Electrical Power and Energy Systems，2013(47)：235-242.

[12] 毛銀花.用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[13] MAZLOUMAN S J，MAHANFAR A，KAMINSK A B.Midrange wireless energy transfer using inductive resonance for wireless sensors[J].Computer Design，ICCD.IEEE International Conference on，2009：517-522.