Inductieve Resonante Draadloze Energieoverdracht over Middellange Afstanden

Nick Rondelez
Het ontwerp en de realisatie van een draadloos energieoverdrachtsysteem werd gedaan, waarna de efficiëntie geëvalueerd werd en een theoretische linkefficientie ook echt bevestigd werd.

Het draadloos opladen van de toekomst

Vandaag beschikt bijna iedereen over minstens één mobiel toestel, van smartwatch tot smartphone tot laptop. Een groot nadeel hiervan is dat deze toestellen regelmatig opgeladen dienen te worden en dit via een draad naar de muur. Als men dan vergeten is een lader mee te nemen komt men in de problemen. Zou het daarom niet interessant zijn om al deze toestellen continu draadloos te laten opladen door middel van draadloze laadstations in de omgeving? Hierbij zouden we dan niet langer moeten nadenken of het batterijbalkje nog voldoende ingekleurd is alvorens de deur uit te gaan.

Draadloos opladen

Het draadloos opladen van mobiele toestellen is niets nieuws. Het wordt al jaren gedaan door het toestel op een klein laadstation te plaatsen. Het brengt voordelen met zich mee zoals het waterdicht en stofdicht maken van de toestellen. Daarnaast zorgt dit er ook voor dat draden overbodig worden. Dit gaat echter wel met een grote beperking gepaard: wanneer de toestellen aan het opladen zijn, dienen ze perfect uitgelijnd te zijn met het laadstation. Dit zorgt ervoor dat het toestel niet langer mobielgebruikt kan worden gedurende het laadproces. Om deze beperking weg te werken wordt er onderzoek gedaan naar draadloze energieoverdracht over grote afstanden. Als onderzoekers er in slagen om op een efficiënte manier energie over te dragen naar mobiele toestellen tot afstanden van bijvoorbeeld 0,5 meter,  dan zou dit een grote vooruitgang zijn. 

Draadloze inductieve energieoverdracht

De smartphones dat reeds draadloos opgeladen kunnen worden, maken gebruik van draadloze inductieve energieoverdracht. Hierbij worden magnetische wisselvelden opgewekt door een wisselspanning aan een spoel aan te leggen. Dit veroorzaakt een stroom door deze spoel en zo wordt een wisselendmagnetisch veld opgewekt (in tegenstelling tot het aardmagnetischveld waarvan de zin niet verandert). De magnetische veldlijnen kunnen zich dan voortplanten door de verschillende media (zoals de lucht, de behuizing van het toestel en andere tussenliggende media, …) en uiteindelijk vallen ze in op een spoel geïntegreerd in het mobiele toestel zelf. Het magnetische veld dat hierop invalt zal dan een spanning induceren over de spoel. Dit is geschikt om toestellen op korte afstand op te laden. Om grotere afstanden te overbruggen zal er nood zijn aan een andere methode.

Extra spoelen introduceren

Door één spoel aan de zijde van het laadstation en één aan de zijde van het mobiele toestel toe te voegen, zal er een versterking optreden van het magnetische veld. Om dit te kunnen begrijpen moet men weten dat een wisselend magnetisch veld dat invalt op een geleider een spanning induceert in een geleider. Deze spanning zal dan aanleiding geven tot een stroom doorheen deze geleider en deze stroom wekt op zijn beurt opnieuw een magnetisch veld op, tegengesteld aan het invallende magnetische wisselveld. Alle vier de kringen in de figuur zijn op eenzelfde frequentie afgeregeld, wat wil zeggen dat de impedantie van Lnen Cresnmet n=1,2,3,4  samen, gelijk is aan nul. De twee middenste kringen zijn dan in theorie perfecte kortsluitingen. Als op L2een magnetisch veld invalt en een spanning geïnduceerd wordt, dan treedt in theorie een kortsluiting op, waardoor er een zeer sterk tegenwerkend magnetisch veld opgewekt wordt. Zo zal er rechts van het tweede circuit dus een groter magnetisch veld aanwezig zijn dan er op dezelfde plaats was vóór het plaatsen van deze versterker. Dit is hoe we erin slagen een grotere afstand te overbruggen.

image

Het ontwerp

In dit werk was één van de grootste deeltaken een dergelijk systeem met vier spoelen ontwerpen. Dit houdt in dat een draadloze lader ontworpen diende te worden, samen met de nodige versterkers en een ontvanger. Deze ontvanger kan gebruikt worden om energie ontvangen en om te zetten in bruikbare DC spanningen. De efficiëntie van het systeem kan zo ook geëvalueerdworden. Het resultaat is weergegeven in onderstaande figuur, waarbij iedere spoel een binnendiameter heeft van 215 mm en 10 windingen. Dit zijn twee eigenschappen die de zelfinductantie van iedere spoel zullen bepalen. De zelfinductantie bepaalt de resonantiefrequentie van iedere kring.

imageimage

Verschillende meetopstellingen en hun efficiëntie

Efficiëntie is één van de belangrijkste manieren waarop men verschillende soorten van draadloos opladen kan vergelijken. Dit is dan ook wat in deze scriptie werd gedaan en is te zien in de onderstaande figuren. 

image

imageimage

 Er werden drie meetopstellingen gemaakt waar voor iedere opstelling de efficiëntie opgemeten wordt. Dit werd gedaan in functie van verschillende weerstanden of lasten aan te sluiten op de ontvanger. De eerste meetopstelling bestaat uit de vier spoelen zoals eerder vermeld. De tweede meetopstelling is hoe vandaag de dag draadloze energieoverdracht gebeurt: door middel van twee spoelen. Tot slot is er een meetopstelling waarbij de afstand tussen alle spoelen even groot is. De spoelen tussen zender en ontvanger worden relay coils genoemd. 

De efficiëntie wordt gedefinieerd als het ontvangen vermogen door de load gedeeld door het DC vermogen dat in het systeem gestoken wordt door de voedingen. Dit wordt opgemeten voor een afstand van 40 cm tussen de zender en de ontvanger. De resultaten zijn weergegeven in de onderstaande figuur.

image

We kunnen duidelijk zien dat de laatste meetopstelling de hoogste efficiëntie behaalt. Dit toont aan dat het effect van gelijke afstanden tussen de spoelen voordelig is. Door de grotere afstanden reduceren de negatieve gevolgen (elkaar tegenwerken) van de spoelen in elkaars nabijheid.

Bevestiging van eerder werk 

In 2017 deden Mastri en zijn collega’s een theoretische bepaling voor de efficiëntie van een systeem waar slechts één relay coil aanwezig was. Deze wiskundige beschrijving werd zo goed mogelijk benaderd door de parameters op te meten en hierin in te geven, waarna een theoretisch verloop van de efficiëntie bekomen werd. Voor deze meetopstelling werden dan metingen gedaan voor verschillende weerstanden en beide efficiënties werden dan vergeleken met elkaar. Dit is weergegeven in onderstaande figuur.

image

Er is een heel sterke overeenkomst te zien tussen beiden waardoor in deze thesis iets theoretisch ook bevestigd werd in de praktijk.

Dit werk toont aan dat draadloos opladen over afstanden van tientallen centimeters wel degelijk mogelijk is en in de toekomst zeker meer en meer zal voorkomen, als men er nog meer onderzoek naar doet.

Bibliografie

[1] X. Mou and H. Sun, “Wireless power transfer: Survey and roadmap,” in Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2015 IEEE 81st , pp. 1–5, IEEE, 2015.

[2] X. Lu, P. Wang, D. Niyato, D. I. Kim, and Z. Han, “Wireless charging technologies: Fundamentals, standards, and network applications,” IEEE Communications Surveys & Tutorials , vol. 18, no. 2, pp. 1413–1452, 2016.

[3] A. M. Jawad, R. Nordin, S. K. Gharghan, H. M. Jawad, and M. Ismail, “Opportunities and challenges for near-field wireless power transfer: A review,” Energies , vol. 10, no. 7, p. 1022, 2017.

[4] S. Hui, “Wireless power transfer: A brief review & update,” in Power Electronics Systems and Applications (PESA), 2013 5th International Conference on , pp. 1–4, IEEE, 2013.

[5] B. L. Cannon, J. F. Hoburg, D. D. Stancil, and S. C. Goldstein, “Magnetic resonant coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers,” IEEE transactions on power electronics , vol. 24, no. 7, pp. 1819–1825, 2009.

[6] P. J. Abatti, S. F. Pichorim, and C. M. de Miranda, “Maximum power transfer versus efficiency in mid-range wireless power transfer systems,” Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications , vol. 14, no. 1, pp. 97–109, 2015.

[7] F. Jolani, Y. Yu, and Z. Chen, “A planar magnetically coupled resonant wireless power transfer system using printed spiral coils,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, pp. 1648–1651, 2014.

[8] X. Wei, Z. Wang, and H. Dai, “A critical review of wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Energies , vol. 7, no. 7, pp. 4316–4341, 2014.

[9] Y. Zhang, Z. Zhao, and T. Lu, “Quantitative analysis of system efficiency and output power of four-coil resonant wireless power transfer,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics , vol. 3, no. 1, pp. 184–190, 2015.

[10] J.-K. Liao, Y.-K. Huang, and H.-M. Hsu, “Wireless power transfer efficiency of variable load impedance,” in Wireless Power Transfer Conference (WPTC), 2017 IEEE , pp. 1–3, IEEE, 2017.

[11] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljaˇci´c , “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” science , vol. 317, no. 5834, pp. 83–86, 2007.

[12] C.-Y. Liou and S.-G. Mao, “Robust optimization of printed spiral coil resonators for wireless

powering system with proximal metal plates,” in Wireless Power Transfer Conference (WPTC) , 2017 IEEE, pp. 1–3, IEEE, 2017.

[13] C. M. Zierhofer and E. S. Hochmair, “Geometric approach for coupling enhancement of magnetically coupled coils,” IEEE transactions on Biomedical Engineering , vol. 43, no. 7, pp. 708– 714, 1996.

[14] N. Jamal, S. Saat, and A. Shukor, “A study on performances of different compensation topologies for loosely coupled inductive power transfer system,” in Control System, Computing and Engineering (ICCSCE), 2013 IEEE International Conference on , pp. 173–178, IEEE, 2013.

[15] Z. Liu, Z. Zhong, and Y. X. Guo, “Rapid design approach of optimal efficiency magnetic resonant wireless power transfer system,” Electronics Letters , vol. 52, no. 4, pp. 314–315, 2016.

[16] M. Kiani and M. Ghovanloo, “The circuit theory behind coupled-mode magnetic resonancebased wireless power transmission,” IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers , vol. 59, no. 9, pp. 2065–2074, 2012.

[17] K. Chen and Z. Zhao, “Analysis of the double-layer printed spiral coil for wireless power transfer,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics , vol. 1, no. 2, pp. 114– 121, 2013.

[18] W. Fu, B. Zhang, and D. Qiu, “Study on frequency-tracking wireless power transfer system by resonant coupling,” in Power Electronics and Motion Control Conference, 2009. IPEMC’09. IEEE 6th International , pp. 2658–2663, IEEE, 2009.

[19] W.-S. Lee, W.-I. Son, K.-S. Oh, and J.-W. Yu, “Contactless energy transfer systems using antiparallel resonant loops,” IEEE Transactions on Industrial Electronics , vol. 60, no. 1, pp. 350– 359, 2013.

[20] Y. Moriwaki, T. Imura, and Y. Hori, “Basic study on reduction of reflected power using dc/dc converters in wireless power transfer system via magnetic resonant coupling,” in Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 2011 IEEE 33rd International , pp. 1–5, IEEE, 2011.

[21] X. Wang, S. Liu, Q. Li, and H. Xu, “Self-oscillating control method and topology analysis for parallel resonant contactless power transfer systems,” in Emerging Technologies: Wireless Power Transfer (WoW), 2017 IEEE PELS Workshop on , pp. 1–6, IEEE, 2017.

[22] O. Jonah, S. V. Georgakopoulos, and M. M. Tentzeris, “Optimal design parameters for wireless power transfer by resonance magnetic,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters , vol. 11, pp. 1390–1393, 2012.

[23] B.-H. Lee and K. H. Yi, “Magnetic resonance wireless power transfer with a current source transmitter and a voltage source receiver,” in Wireless Power Transfer Conference (WPTC), 2017 IEEE , pp. 1–3, IEEE, 2017.,

 

 

Universiteit of Hogeschool
Industriële wetenschappen Elektronica/ICT
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Ir. Nobby Stevens
Kernwoorden
Share this on: