ERK'2022, Portorož, 293-297 293 Sistem za avtomatsko meritev sklopljenosti navitij za potrebe naˇ crtovanja sistemov za brezˇ ziˇ cni prenos energije Jure Domajnko 1 , Rok Friˇ s 1 , Nataˇ sa Prosen 1 , Mitja Truntiˇ c 1 1 UM FERI E-poˇ sta: jure.domajnko2@um.si An automatic coupling coefficient measurement platform for wireless power transfer design This conference paper presents the automated system for the coupling coefficient measurement between the trans- mitter and the receiver coil in wireless power transfer (WPT) systems. The platform consists of the computer controlled 3D positioning mechanism and the coupling coefficient measurement system. The platform can be used to design the wireless transmitter and the receiver coil. The practical measurements can serve as a replace- ment for time consuming simulations using electromag- netic simulation software. The measurement platform was tested with two different coil types. 1 Uvod Z razvojem podroˇ cja baterijsko napajanih naprav so se pojavile tudi teˇ znje po brezˇ ziˇ cnem polnjenju. Najbolj po- gosto se brezˇ ziˇ cno polnjenje uporablja za polnjenje tele- fonov, brezˇ ziˇ cnih sluˇ salk in pametnih ur. Veliko raziskav poteka tudi na podroˇ cju brezˇ ziˇ cnega polnjenju elektriˇ cnih vozil [1, 2] in na podroˇ cju polnjenja medicinskih vsadkov [3]. V primerjavi s polnjenjem preko kabla, je sistem za brezˇ ziˇ cno polnjenje bolj kompleksen in teˇ zji za naˇ crtovanje. Ker se energija prenaˇ sa preko zraˇ cne reˇ ze, je teoretiˇ cni izkoristek sistema za brezˇ ziˇ cni prenos ener- gije ˇ ze sam po sebi manjˇ si. Na izkoristek ima velik vpliv koeficient sklopljenosti med oddajnim in sprejemnim na- vitjem. Ta je odvisen od samega tipa oblike navitij in geometrijskih lastnosti [4]. Koeficent sklopljenosti je od- visen tudi od razdalje in poravnanosti med oddajnim in sprejemnim navitjem. Razdalja med navitji, ki je odvisna od aplikacije, se navadno ne spreminja. Po drugi strani se poravnanost med oddajnim in sprejemnim navitjem lahko spreminja, sploh v primeru, ˇ ce pozicioniranje naprave ni avtomatsko. Zaradi tega raziskave na podroˇ cju brezˇ ziˇ cnega prenosa energije pogosto potekajo v smeri izboljˇ save izkoristka sistema v primeru poravnanosti med oddajnim in spreje- mnim navitjem. Toleranca na neporavnanost se v najveˇ cji meri izboljˇ sa z optimizacijo in z uporabo na neporav- nanost bolj tolerantnih oddajnih in sprejemnih navitij. Pri optimizaciji si pogosto pomagamo s pomoˇ cjo progra- movv za simulacijo elektromgnetnega polja, kot sta An- sys Maxwell in CMSOL ter s praktiˇ cnimi eksperimenti. Pri eksperimentih lahko medsebojno induktivnost izme- rimo samo roˇ cno, v diskretnih toˇ ckah. V ˇ clanku bomo predstavili sistem za eksperimentalo me- ritev, ki lahko popolnoma avtomatizirano izmeri koefici- ent sklopljenosti med oddajnim in sprejemnim navitjem. Merilni sistem je bil izdelan modularen, nemanjen za me- ritve z razliˇ cnimi oblikami oddajnih in sprejemnih navitij. ˇ Clanek ima sledeˇ co strukturo. Za uvodom je predstavljen 3D mehanizem, ki omogoˇ ca pozicioniranje oddajnega in sprejemnega navitja. V nadaljevanju je opisana metoda meritve medsebojne induktivnosti in koeficienta skloplje- nosti. V ˇ cetrtem poglavju je predstavljeno vezje meril- nika. Rezultati meritev so predstavljeni v petem poglavju na primeru dveh navitij razliˇ cnih tipov. 2 Sistem za pozicioniranje navitij v 3D pro- storu Osnova sistema, ki omogoˇ ca avtomatizacijo meritev je mehanizem za pozicioniranje v 3D prostoru. Poravna- nost med oddajnim in sprejemnim navitjem je doloˇ cena v x-y ravnini in razdalja med navitji je doloˇ cena v z ravnini. Pozicija oddajnega in sprejemnega navitja je doloˇ cena s pomoˇ cjo raˇ cunalniˇ ske aplikacije, ki se uporablja za inte- rakcijo med uporabnikom in merilnim sistemom. Mehanizem za pozicioniranje navitij v prostoru je pri- kazan na sliki 1. Slika 1a prikazuje mehanizem v x- y ravnini. Glavni del mehanizma predstavlja premiˇ cna ploˇ sˇ cad, oznaˇ cena z oznako (1a), ki omogoˇ ca pozicioni- ranje oddajnega navitja navitja v y osi. Ploˇ sˇ cad se nahaja na dodatnih vodilih, oznaˇ cenih z (2a), ki omogoˇ cajo pre- mik v x osi. Tako se lahko oddajno navitje premika v (a) (b) Slika 1: Mehanizem za pozicioniranje navitij v prostoru: (a) x-y ravnina, (b) x-z ravnina 294 x-y ravnini. Slika 1b prikazuje mehanizem v x-z ravnini. Zgornja ploˇ sˇ cad, na katero je nameˇ sˇ ceno sprejemno na- vitje je oznaˇ ceno z (1b). V odila (2b) omogoˇ cajo, da se ploˇ sˇ cad (2a) premika v z osi. V x-y osi se spodnja ploˇ sˇ cad mehanizma premika s pomoˇ cjo zobatih jermenov in koraˇ cnih motorjev, v z smeri pa s pomoˇ cjo koraˇ cnega motorja in navojne le- tve. Krmilik za koraˇ cne motorje in komunikacijo z raˇ cunalnikom je na sliki 1b oznaˇ cen z (3). Poleg motorjev je mehanizem opremljen ˇ se s stikali, na podlagi katerih se doloˇ ci zaˇ cetna pozicija mehanizma. Raˇ cunalnik in mehanizem komunicirata preko USB vo- dila v obliki G kode, ki se uporablja tudi za krmiljenje CNC naprav. 3 Merilnik medsebojne induktivnosti V praksi se metode za meritev medsebojne induktivnosti delijo na on-line metode in off-line metode. On-line metode merjenja omogoˇ cajo meritev koeficienta sklo- pljenosti med tem, ko sistem prenaˇ sa energijo, medtem ko se off-line metoda uporablja, ko sistem ne prenaˇ sa energije. On-line metode za doloˇ citev koeficenta sklopljenosti uporabijo meritev impedance resonatorja [5, 6], pri eni ali pri veˇ c frekvencah [7]. Impedanca se lahko doloˇ ci tudi s pomoˇ cjo Fourierove trasnformacije. V naˇ sem primeru uporabimo off-line metodo meritve. Prednost off-line metode je, da se lahko uporablja za naˇ crtovanje samih navitij, pri ˇ cemer ne potrebujemo celotnega sistema za brezˇ ziˇ cni prenos energije, ki bi navitji vzbujal in prenaˇ sal energijo. Tako se lahko navitja naˇ crtajo loˇ ceno od sistema, sam sistem pa se nato prilagodi na navitji. V naˇ sem primeru medsebojno induktivnost in koeficent sklopljenosti izmerimo s pomoˇ cjo meritve induktivnosti navitij. 3.1 Meritev koeficenta sklopljenosti s pomoˇ cjo me- rilnika induktivnosti Medsebojno induktivnost med dvema navitjema lahko izraˇ cunamo na razliˇ cne naˇ cine. Eden izmed naˇ cinov, ki smo ga uporabili tudi v naˇ sem primeru je meritev med- sebojne induktivnosti preko zaporedne vezave dveh navi- tij [8]. Medsebojna induktivnost med dvema navitjema je lahko pozitivna ali negativna. V primeru pozitivne medsebojne induktivnosti lahko koeficient sklopljenosti izraˇ cunamo s pomoˇ cjo enaˇ cbe (1). L X1 =L T +L R + 2M (1) pri ˇ cemer je L X1 zaporedna induktivnost oddajnega in sprejemnega navitja v primeru pozitivne medsebojne in- duktivnosti,L T je lastna induktivnost oddajnega navitja, L R je lastna induktivnost sprejemnega navitja in M je medsebojna indutivnost med oddajnim in sprejemnim na- vitjem, ki se izraˇ cuna po enaˇ cbi 2. M =k p L T L R (2) pri ˇ cemer je k koeficient sklopljenosti med oddajnim in sprejemnim navitjem. U ref R T L T R 1i − + u out R 2i 1 2 3 L R R R 4 M (a) U ref R T L T 1 2 3 L R R R R 1i − + u out R 2i 4 M (b) U ref R T L T 1 2 3 L R R R R 1i − + u out R 2i 4 M (c) Slika 2: Vezave za meritev medsebojne induktivnosti med oddajnim in sprejemnim navitjem: (a) Meritev la- stne induktivnosti navitja, (b) Meritev pozitivne medse- bojne induktivnosti L X1 med oddajnim in sprejemnim navitjem, (c) Meritev negativne medsebojne induktivno- stiL X2 med oddajnim in sprejemnim navitjem. V primeru negativne medsebojne induktivnosti, izmer- jeno zaporedno induktivnost oznaˇ cimo z L X2 in jo izraˇ cunamo s pomoˇ cjo enaˇ cbe (3). L X1 =L T +L R − 2M (3) Za izraˇ cun medsebojne induktivnosti, lahko enaˇ cbi (1) in (3) zdruˇ zimo v enaˇ cbo (4), pri kateri ne potrebujemo la- stnih induktivnosti oddajnega in sprejemnega navitja. M = L X1 − L X2 4 (4) Iz medsebojne induktivnosti lahko izraˇ cunamo koeficent sklopljenosti po enaˇ cbi (5). Medsebojno induktivnost med oddajnim in sprejemnim navitjem lahko izraˇ cunamo v veˇ c toˇ ckah v prostoru. k = M √ L T L R (5) Na podlagi meritev se lahko izriˇ se karakteristika posame- znega para navitij. Karakteristika se lahko uporablja pri naˇ crtovanju sistemov za brezˇ ziˇ cni prenos energije. 3.2 Merilnik induktivnosti na osnovi samodejno uravnoteˇ zenega merilnega mostiˇ ca Eden izmed naˇ cinov meritve induktivnosti je metoda s sa- modejno uravnoteˇ zenim mostiˇ cem [9]. Metoda bazira na 295 − + u ref − + u ref R 11 S 11 Z x − + R 12 S 12 R 13 S 13 R 23 S 23 R 22 S 22 R 21 S 21 u out Slika 3: Struktura samodejno uravnoteˇ zenega mostiˇ ca z neznano impedancoZ x osnovi invertirajoˇ cega operacijskega ojaˇ cevalnika. Vezje merilnika je prikazano na sliki 3. Induktivnost, ki jo merimo je predstavljena z neznano impedanco Z x . Na- tanˇ cneje, impedancoZ x opiˇ semo z enaˇ cbo (6). Z x =R x +jω ref L x (6) pri ˇ cemer je R x upornost ˇ zice in L x induktivnost pri- kljuˇ cene neznane induktivnosti. Vhod v vezje predstavlja referenˇ cna sinusna napetost u ref z amplitudo ˆU ref in izhod iz vezja predstavlja sinu- sna napetostu out z amplitudo ˆU out . Frekvenca, pri kateri je izmerjena induktivnost je tako odvisna od frekvence referenˇ cne sinusne napetosti. Merilnik omogoˇ ca tri razliˇ cne stopnje obˇ cutljivosti, ki jih lahko nastavimo s pomoˇ cjo stikalS 11 ,S 12 inS 13 ter sti- kal S 21 , S 22 in S 23 , z vkljuˇ cevanjem merilnih uporov. Pri manjˇ sih upornostih je merilnik bolj obˇ cutljiv. Tako se lahko merilnik uporablja za merjenje koeficienta sklo- pljenosti ˇ sirokega razpona navitij. Za izraˇ cun neznane impedance Z x je potrebno izmeriti amplitudo vhodnega referenˇ cnega signalaU ref in ampli- tudo izhodne napetostiU out . Neznano induktivnost lahko izraˇ cunamo po enaˇ cbi 7. L x = R 2i 2πf ref ˆUout ˆU ref sin (Φ) (7) pri ˇ cemer je L x neznana induktivnost, ˆU ref amplituda vhodne referenˇ cne napetosti, ˆU out amplituda izhodne na- petosti, Φ fazni kot med vhodno in izhodno napetostjo in f ref je frekvenca sinusne referenˇ cne napetosti. Dodatno lahko obˇ cutljivost nastavljamo s pomoˇ cjo upornostiR 1i , ki je vezana zaporedno z neznano impedanco in upor- nosti R 2i , ki je v negativni povratni veji operacijskega ojaˇ cevalnika. Neznano upornost ˇ zice lahko izraˇ cunamo s pomoˇ cjo enaˇ cbe (8). R x = R 2i ˆUout ˆU ref cos (Φ) − R 1i (8) Za meritev medsebojne induktivnosti in koeficienta sklo- pljenosti je pomembna samo meritev neznane induktiv- nosti. Meritev upornosti ˇ zice pri tem nima vpliva. Upor- nost ˇ zice vpliva samo na toplotne izgube sistema za brezˇ ziˇ cni prenos energije. (a) (b) Slika 4: Oblika navitij: (a) klasiˇ cno spiralno ploˇ sˇ cato na- vitje, (b) DD navitje 4 Rezultati meritve Rezultate meritve koeficienta sklopljenosti lahko razde- limo na dva dela. V prvem delu smo izmerili koeficient sklopljenosti, ko se je spreminjala z razdalja med oddaj- nim in sprejemnim navitjem. Ta test pride v poˇ stev, ko ˇ zelimo doloˇ citi kolikˇ sna naj bo razdalja med oddajnim in sprejemnim navitjem v konˇ cni aplikaciji. Drugi del pred- stavlja meritev tolerance na neporavnanost v x-y ravnini pri doloˇ ceni z razdalji. Meritve smo izvajali na dveh razliˇ cnih tipih oddajnega in sprejemnega navitja, ki sta prikazani na sliki 4. Slika 4a prikazuje klasiˇ cno spiralno navitje v obliki kvadrata. Takˇ sni tip navitja je najbolj pogost. Ker nima usmerje- nega magnetnega polja ima slabo, a simetriˇ cno toleranco na neporavnanost. Slika 4b prikazuje posebno DD obliko navitja. Gre za navitje z usmerjenim magnetnim preto- kom, prviˇ c opisano [10]. Sestavljeno je iz dveh zapo- redno vezanih spiralnih navitij D oblike. Prednost DD navitja je boljˇ sa toleranca na neporavnanost v smeri, ki je pravokotna na smer usmerjenega magnetnega pretoka. S sistemom za avtomatizirano meritev koeficienta skloplje- nosti smo izmerili vpliv pozicij oddajnega in sprejemnega navitja v prostoru na koeficient sklopljenosti in s tem po- slediˇ cno tudi na izkoristek sistema. Meritve koeficienta sklopljenosti izvajamo med dvema navitjema iste oblike. Obe obliki navitij imata enako ploˇ sˇ cino, in sicer sta velikosti 100× 100 mm, ki je doloˇ cena z dimenzijami uporabljenega feritnega materi- ala. 4.1 Meritev koeficienta sklopljenosti vz osi Meritev koeficienta sklopljenosti navitij v z osi je prika- zana na sliki 5. Slika 5a prikazuje meritev koeficenta za klasiˇ cni spiralni ploˇ sˇ cati navitji in slika 5b prikazuje me- ritev koeficienta za DD navitji. V obeh primerih so toˇ cke, ki so bile izmerjene oznaˇ cene s kriˇ zci, polna ˇ crta pa pred- stavlja aproksimacijo. V obeh primerih koeficient sklopljenosti upada z razdaljo med navitji. Klasiˇ cno spiralno ploˇ sˇ cato navitje ima neko- liko veˇ cji koeficient sklopljenosti, predvsem zaradi tega, ker ima posamezno navitje veˇ cji premer. To pomeni, da lahko klasiˇ cno spiralno ploˇ sˇ cato navitje prenaˇ sa energijo na daljˇ se razdalje kot DD navitje s podobnimi zunanjimi dimenzijami. V praktiˇ cnih aplikacijah, pri katerih je raz- 296 (a) (b) Slika 5: Vpliv razdalje med navitji z na koeficient sklo- pljenosti: (a) klasiˇ cno spiralno ploˇ sˇ cato navitje, (b) DD navutje dalja z med navitji fiksna, velikost navitij glede na to pri- lagodimo. 4.2 Meritev koeficienta sklopljenosti vx-y ravnini Meritev vpliva neporavnanosti na koeficient sklopljenosti je pomembna za naˇ crtovanje brezˇ ziˇ cnih sistemov, ki so odporni na neporavnanost med oddajnim in sprejemnim navitjem. Rezultati meritve so prikazani na sliki 6. Slika 6a prikazuje rezultate meritve za klasiˇ cni spiralni ploˇ sˇ cati navitji in slika 6b prikazuje rezultate meritve za DD na- vitji. Meritev je bila v obeh primerih izvedena na fiksni z raz- dalji, in pri odmiku± 25 mm v x in y smeri okoli lege, v kateri sta oddajno in sprejemno navitje popolnoma po- ravnani. Z oddaljenostjo od ravnovesne lege, koeficient sklopljenosti upade. V primeru veˇ cje tolerance na nepo- ravnanost, koeficient sklopljenosti upada poˇ casneje. Na sliki 6a vidimo, da koeficient sklopljenosti v primeru klasiˇ cnih spiranih ploˇ sˇ catih navitij upade simetriˇ cno. Po drugi strani pa koeficent sklopljenoti v primeru DD navi- tij ne upada simetriˇ cno. Iz slike 6b je razvidno, da koe- ficent sklopljenosti pri neporavnanosti v x smeri upada (a) (b) Slika 6: Vpliv razdalje med navitji z na koeficient sklo- pljenosti: (a) klasiˇ cno spiralno ploˇ sˇ cato navitje, (b) DD navutje veliko poˇ casneje kot v primeru y smeri. Zaradi tega imata DD navitji nesimetriˇ cno toleranco na neporavna- nost. Vzrok za to nesimetriˇ cno toleranco je v usmerjenem magnetnem polju. Neporavnanost po osi, ki je pravoko- tna glede na smer magnetnega polja, ima manjˇ si vpliv na koeficient sklopljenosti. Po drugi strani, imata klasiˇ cni spiralni ploˇ sˇ cati navitji boljˇ so toleranco na neporavna- nost, kot jo imata DD navitji v primeru neporavnanosti po slabˇ si osi. Zaradi tega je zelo pomembno, kako orientiramo DD na- vitji. Lahko se namreˇ c zgodi, da zaradi izbire napaˇ cne osi, moˇ cno poslabˇ samo izkoristek sistema za brezˇ ziˇ cni prenos energije. 297 5 Zakljuˇ cek V tem ˇ clanku smo predstavili sistem za avtomatizi- rano meritev koeficenta klopljenosti navitij sistema za brezˇ ziˇ cni prenos energije. Na mehanizem sistema name- stimo eno oddajno in eno sprejemno navitje, ki jo pri- kljuˇ cimo na vezje za merjenje medsebojne induktivno- sti. S pomoˇ cjo raˇ cunalniˇ ske aplikacije se poveˇ zemo na mehanizem in na merilni sistem ter doloˇ cimo vrsto me- ritve in obmoˇ cje, na katerem bo meritev potekala. Po priˇ cetku meritve, mehanizem pozicionira navitji v pro- storu, merilno vezje pa v vsaki toˇ cki izvede meritev koefi- centa sklopljenosti, sestavljeno iz ˇ stirih meritev induktiv- nosti. Izvedene meritve se prenaˇ sajo na raˇ cunalnik, kjer se lahko dodatno obdelajo in vizualizirajo. Sistem za meritev koeficienta sklopljenosti lahko upora- bimo kakor zamenjavo za rezultate, pridobljene s simula- cijskih programov. Meritev je namreˇ c manj ˇ casovno zah- tevna. ˇ Cas simulacije drastiˇ cno naraste s ˇ stevilom toˇ ck. Delovanje sistema smo prikazali z meritvijo koeficienta sklopljenosti navitij sistema za brezˇ ziˇ cni prenos ener- gije. Meritev smo izvedli tako na navitju, ki nima in ima usmerjeno magnetno polje. Literatura [1] Mahesh, A.; Chokkalingam, B.; Mihet-Popa, L. Inductive Wireless Power Transfer Charging for Electric Vehicles–A Review. IEEE Access 2021, 9, 137667–137713. [2] Panchal, C.; Stegen, S.; Lu, J.-W. Review of static and dynamic wireless electric vehicle charging system. Eng. Sci. Technol. Int. J. 2018, 21, 922–937. [CrossRef] [3] Khan, S.R.; Pavuluri, S.K.; Cummins, G.; Desmulliez, M.P.Y . Wireless Power Transfer Techniques for Implanta- ble Medical Devices: A Review. Sensors 2020, 20, 3487. [4] Jiarui B., Shuyan H., Zibin X., Guangxi H., Ye L., Li- rong Z., ”Optimization of the Coupling Coefficient of the Inductive Link for Wireless Power Transfer to Biomedical Implants”, International Journal of Antennas and Propaga- tion, vol. 2022, Article ID 8619514, 12 pages, 2022. ht- tps://doi.org/10.1155/2022/8619514 [5] V . Jiwariyavej, T. Imura and Y . Hori, ˇ Coupling Coeffici- ents Estimation of Wireless Power Transfer System via Ma- gnetic Resonance Coupling Using Information From Either Side of the System,”in IEEE Journal of Emerging and Se- lected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 1, pp. 191- 200, March 2015, doi: 10.1109/JESTPE.2014.2332056. [6] Jeon, Seon-Jae, and Dong-Wook Seo. 2019. ˇ Coupling Coefficient Measurement Method with Simple Procedu- res Using a Two-Port Network Analyzer for a Multi- Coil WPT System”Energies 12, no. 20: 3950. ht- tps://doi.org/10.3390/en12203950 [7] Yang, Dongsheng, Sokhui Won, Jiangwei Tian, Zixin Cheng, and Jongho Kim. 2019. ”A Method of Estimating Mutual Inductance and Load Resistance Using Harmonic Components in Wireless Power Transfer System”Energies 12, no. 14: 2728. https://doi.org/10.3390/en12142728 [8] Alexander, K.C.; Sadiku, N.O.M. Magnetically Coupled Circuits. In Fundamentals of Electric Circuits, 3rd ed.; Is- enberg, S., Ed.; McGraw-Hill Higher Education: New York, NY , USA, 2007; pp. 528–531. [9] Segundo, A.K.R.; Martins, J.H.; Monteiro, P.M.D.B.; De Oliveira, R.A.; Freitas, G.M. A Novel Low-Cost Instru- mentation System for Measuring the Water Content and Apparent Electrical Conductivity of Soils. Sensors 2015, 15, 25546–25563. [10] Budhia, M.; Boys, J.T.; Covic, G.A.; Huang, C.-Y . De- velopment of a Single-Sided Flux Magnetic Coupler for Electric Vehicle IPT Charging Systems. IEEE Trans. Ind. Electron. 2011, 60, 318–328.