Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Hệ Thống Truyền Năng Lượng Khơng Dây Sử
Dụng Cấu Trúc Vịng Dây Cộng Hưởng Tại
Tần Số 13.56 MHz
Nguyễn Thảo Duy1, Nguyễn Duy Khánh2, Hà Thị Kim Duyên2, Phạm Thanh Sơn1*
1

Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
2
Khoa Điện tử , Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội
Email:

Abstract— Truyền năng lượng không dây [Wireless
Power Transfer (WPT)] là một công nghệ cho phép
truyền năng lượng điện từ một nguồn phát tới các thiết
bị thu mà không cần tới dây dẫn. Công nghệ này là một
trong những lĩnh vực nghiên cứu có nhiều đổi mới sáng
tạo trong những năm gần đây. Trong bài báo này chúng
tôi tập trung nghiên cứu hệ thống WPT ở khoảng cách
trung bình có nguyên lý dựa trên hiệu ứng cộng hưởng
từ. Chúng tôi đã chế tạo thành công bộ truyền điện
không dây ở khoảng cách 0.4 m, đạt hệ số truyền qua
62%. Các kết quả mô phỏng về phân bố từ trường xung
quanh khơng gian truyền dẫn cũng được trình bày trong
bài báo. Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy sự phù
hợp với mơ hình lý thuyết và mơ phỏng.

khơng dây cho các thiết bị điện tử cầm tay đã đạt đến
giai đoạn thương mại hóa thơng qua việc ra mắt tiêu
chuẩn Qi của Liên minh năng luợng không dây, hiện

bao gồm hơn 135 cơng ty trên tồn thế giới. Với hệ
thống WPT tầm trung, khoảng cách truyền có thể từ
vài cm tới hàng m, tần số hoạt động ở dải MHz và hiệu
suất truyền tải khá cao có thể đạt trên 60%. Khi
khoảng cách truyền tải từ vài m đến nhiều km cơng
nghệ WPT tầm xa có thể được ứng dụng cho các hệ
thống điện trong quân sự và truyền năng lượng vệ tinh,
vũ trụ. Do khoảng cách truyền dẫn rất xa nên dải tần
số hoạt động của loại WPT này thường lớn hơn GHz
với hiệu suất truyền khá thấp chỉ dưới 5% [5-8].
Trong bài báo này, chúng tơi sẽ trình bày về hệ
thống WPT ở khoảng cách tầm trung (trên 40 cm) với
cấu trúc bốn cuộn dây có phối hợp trở kháng. Các
nghiên cứu phân tích lý thuyết và tính tốn mơ phỏng
đã được tiến hành nhằm tối ưu các thông số của hệ
thống để thu được hiệu suất truyền tải cao nhất. Dựa
trên các kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng,
chúng tôi đã chế tạo thành công hệ thống WPT có cấu
trúc 4-cuộn cho hệ số truyền qua đạt 62% ở khoảng
cách 40 cm

Keywords- Truyền năng lượng không dây, cấu trúc
cộng hưởng, từ trường.

I.

GIỚI THIỆU

Với sự gia tăng ngày càng nhiều của các thiết bị
điện – điện tử, việc truyền năng lượng điện từ nguồn

phát tới thiết bị tiêu thụ vẫn đòi hỏi phải sử dụng kết
nối vật lý sẽ gây ra những bất tiện cho cuộc sống của
con người. Hiện nay, công nghệ truyền tải điện không
dây đang được quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát
triển nhằm giải quyết những rắc rối cũng như tính bất
tiện của các kết nối có dây. Đây cũng là một vấn đề
quan trọng để phát triển hệ thống điện trong tương lai.
Việc này sẽ giảm thiểu được chi phí trong thiết kế, thi
cơng các cơng trình về điện dân dụng và cơng nghiệp.
Từ đó, q trình sử dụng điện sẽ tiện lợi hơn, hệ thống
điện không phải đấu nối dây dẫn phức tạp khi số luợng
thiết bị điện tăng lên [1-4].
Công nghệ truyền tải điện không dây thường được
chia làm ba loại dựa trên khoảng cách truyền dẫn và
khả năng ứng dụng của chúng đó là: tầm ngắn; tầm
trung; và tầm xa. Các loại này có nguyên lý hoạt động
và dải tần hoạt động khác nhau. WPT tầm ngắn có
khoảng cách truyền dẫn điển hình từ vài mm đến vài
cm, cơ chế hoạt động dựa trên cảm ứng từ ở dải tần số
kHz. Các ứng dụng được biết đến nhiều nhất của loại
WPT này là sạc không dây cho thiết bị điện tử tiêu
dùng và các thiết bị cấy ghép y sinh. Công nghệ sạc

ISBN: 978-604-80-5076-4

II. LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH HỆ THỐNG
WPT 4-CUỘN

Hình 1. Sơ đồ hệ thống WPT 4-cuộn dây.


198


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

Hình 1 là sơ đồ của hệ thống WPT 4-cuộn dây với
các thành phần như sau: cuộn phát/thu, cuộn cộng
hưởng phát/thu, điện áp cấp vào VS, điện trở nguồn và
tải lần lượt là RS và RL. Các khoảng cách từ cuộn phát
tới cuộn cộng hưởng phát (d12), từ cuộn cộng hưởng
phát tới cuộn cộng hưởng thu (d23), từ cuộn cộng
hưởng thu tới cuộn thu (d34) có thể điều chỉnh để đạt
phối hợp trở kháng cho hệ thống WPT.

Trong đó: Qi =

Li
là hệ số phẩm chất của cuộn
Ri

dây ứng với tham số i.
Khi hệ thống đối xứng, ta có Q1 = Q4; Q2 = Q3 và
k12 = k34, hệ số điện áp giữa nguồn và tải của hệ thống
là:
k23k122 Q1Q22
VL
I R
= 4 L =
VS
I1 RS

(1 + k122 Q1Q2 )2 + k232 Q22

RL
RS

(4)

Hiệu suất truyền tải năng lượng (tỷ lệ của công
suất đầu ra Pout và công suất đầu vào Pin được xác
định:
=

A. Mô phỏng sử dụng phần mềm CST

Hệ thống WPT 4-cuộn có thể được biểu diễn bằng
một mạch điện tương đương như trên Hình 2. Trong
đó các thơng số Ri, Li, Ci (i = 1-4) đại diện cho điện
trở, cảm kháng và dung kháng ứng với mỗi cuộn dây.
Các hệ số ghép cặp k12, k23, k34 là hệ số ghép cặp tương
ứng giữa các cuộn dây với nhau. Do cuộn cộng hưởng
phát/thu có hệ số phẩm chất (Q) rất cao và điều kiện
trở kháng nguồn và tải thực tế, chúng ta có R1 << RS
và R4 << RL, do đó (R1 + RS RS) và (R1 + RL RL).
Dựa trên sơ đồ mạch điện tại Hình 2 ta có:
−1
12

13

14


21

22

23

24

3

31

32

33

34

0

4

41

42

43

44


0

=

Ở tần số cộng hưởng

=

0

Nhằm tối ưu hiệu suất cũng như tiết kiệm nguyên
vật liệu, công sức khi chế tạo thực nghiệm, chúng tôi
đã tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm
thương mại CST Studio Suite để có những thơng số tối
ưu cho hệ thống WPT. Sử dụng phần mềm mô phỏng,
chúng tôi cũng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu
suất truyền dẫn của hệ thống WPT như phân bố từ
trường xung quanh bộ phát/thu và trên bề mặt cuộn
cộng hưởng.

VS

11

2

(5)

III. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

HỆ THỐNG WPT 4-CUỘN

Hình 2. Sơ đồ mạch điện tương đương của hệ thống
WPT 4 cuộn.

1

POUT
V 2 / RL
2
= 2L
= S21
PIN
VS / 4 RS

.

0

(1)

1

, chúng ta có

Li Ci

được các biểu thức sau đây:
Z11 = RS ; Z 22 = R2 ; Z 33 = R3
Hình 3. Hệ thống WPT 4 cuộn mô phỏng trên CST.


Z 44 = RL ; Z13 = Z14 = Z 24 = 0;
Z12 = j k12 L1 L2 ;

Hình 3 mơ tả hệ thống truyền năng lượng không
dây với cấu trúc 4-cuộn ở khoảng cách truyền dẫn là
40 cm được thiết kế bằng phần mềm CST. Vật liệu chế
tạo của cả 4 cuộn dây đều là đồng nguyên chất. Cuộn
phát/thu có cấu trúc một vịng dây, đường kính 30 cm,
với một khe cắt để nối với cổng ảo của phần mềm mơ
phỏng. Cuộn cộng hưởng phát/thu có cấu trúc vịng
xoắn với bán kính ngồi là 40 cm đặt trên một đế
acrylic. Cuộn cộng hưởng phát/thu được thiết kế để có
thể dao động cộng hưởng ở tần số 13.56 MHz. Sau khi
chọn các điều kiện phù hợp với môi trường thực
nghiệm, chúng tôi tiến hành chạy mô phỏng và thu
được các kết quả về hệ số phản xạ S11 và hệ số truyền

(2)

Z 23 = j k23 L2 L3 ;
Z 34 = j k34 L3 L4 ;

Giải phương trình (1) và (2), chúng ta có dịng điện
chạy trong cuộn phát I1 và cuộn thu I4 như sau:
I1 =
I4 =

(1 + k


(1 + k

2
12

Q2Q3 + k342 Q3Q4 )

2
23

Q1Q2 )(1 + k Q3Q4 ) + k Q2Q3
2
34

2
23

k12 k23k34 Q1Q2 Q2Q3 Q3Q4

(1 + k

2
12

Q1Q2 )(1 + k342 Q3Q4 ) + k232 Q2Q3

ISBN: 978-604-80-5076-4

VS
RS

jVS

(3)

RS RL

199


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

qua S21, cũng như phân bố trường của hệ thống WPT
như sau.

vòng dây là 1 cm như được mơ tả trong hình 6(a).
Cuộn phát/thu được chế tạo bởi một vòng dây đồng
với cùng đường kính lõi dây là 0.5 cm, đường kính của
vịng dây là 30 cm như được mơ tả trong Hình 6(b).

Hình 4. (a) Hệ số phản xạ, (b) hệ số truyền qua của hệ thống
WPT.

Kết quả mơ phỏng trên Hình 4 cho ta biết hệ thống
WPT có tần số cộng hưởng xung quanh vùng tần số
13.56 MHz và đạt hệ số truyền qua từ cuộn phát sang
cuộn thu là S21 = 0.69.

Hình 6. (a) Cuộn cộng hưởng, (b) Cuộn phát/thu

Sau khi chế tạo các cuộn phát/thu và cuộn cộng

hưởng, chúng tơi tiến hành lắp đặt và hồn thiện hệ
thống WPT với cấu trúc 4 cuộn như Hình 7. Hiệu suất
truyền qua của hệ thống được đo bởi máy phân tích
mạng (Rohde & Schwarz ZNB20). Các cuộn phát/thu
được nối vào hai cổng của máy phân tích mạng đã
được hiệu chỉnh để đo tại vùng tần số MHz. Khoảng
cách giữa cuộn phát/thu tới cuộn cộng hưởng cũng
được điều chỉnh để có thể đạt được điều kiện phối hợp
trở kháng khi hệ số phản xạ tại hai cổng của máy phân
tích mạng nhỏ hơn -10 dB.

Hình 5. (a) Phân bố từ trường xung quanh của hệ thống
WPT, (b) Phân bố từ trường tại bề mặt cuộn cộng hưởng.

Hình 5(a) biểu diễn phân bố từ trường xung quanh
hệ thống WPT. Từ Hình 5(a), chúng ta có thể thấy từ
trường phát ra từ các cuộn dây mạnh hơn theo trục
xuyên tâm của các vòng dây, từ trường tập trung rất
mạnh tại các cuộn cộng hưởng phát/thu mang tới khả
năng ghép cặp lớn từ cuộn phát sang cuộn thu dù ở
khoảng cách khá xa do đó hệ thống WPT 4-cuộn có
hiệu quả hơn nhiều so với hệ thống WPT 2-cuộn. Hình
5(b) cho thấy từ trường tại vùng sát các đường dây rất
lớn, điều này hợp lý do các vòng dây đều mang dòng
điện dao động ở tần số cao. Ngồi vùng sát các vịng
dây từ trường tập trung vào phía bên trong của vịng
dây trong khi suy giảm nhanh chóng ở phía bên ngồi
của vịng dây. Từ kết quả mô phỏng phân bố từ trường
này chúng tôi nhận thấy hiệu suất của hệ thống WPT
sẽ lớn nhất khi các cuộn dây được đặt đồng trục,

xuyên tâm với nhau.

Hình 7. Hệ thống thực nghiệm WPT 4-cuộn

Hình 8 là kết quả đo đạc của hệ thống WPT 4-cuộn
với các thiết lập như trên Hình 7. Các phép đo này
được chúng tôi thực hiện nhiều lần (5 lần) với các điều
kiện giống nhau và độ lặp lại cao giữa các lần đo. Kết
quả thực nghiệm cho thấy hệ số truyền qua cực đại của
hệ thống đạt 0.62 tại vùng tần số 13.56 MHz. Phổ
truyền qua thực nghiệm cho kết quả tương đồng với
mô phỏng. Tuy nhiên, do môi trường mô phỏng là lý
tưởng nhưng khi chế tạo thực nghiệm xảy ra những
mất mát do vật liệu, suy hao đường dây máy đo, phối
hợp trở kháng chưa được hoàn toàn nên hệ số truyền
qua thực nghiệm có nhỏ hơn một chút so với mô
phỏng.

B. Chế tạo thực nghiệm
Sử dụng những kết quả mơ phỏng ở phần trình bày
trên, chúng tơi tiến hành chế tạo hệ thống WPT với
cấu trúc cuộn cộng hưởng và cuộn phát/thu như trong
Hình 6. Các thơng số chế tạo của các cuộn dây giống
với các thông số trong q trình mơ phỏng. Bên phát
và bên thu của hệ thống có thiết kế giống nhau với các
cuộn cộng hưởng được chế tạo bằng các vòng dây
đồng với đường kính dây là 0.5 cm và đường kính
vịng dây lớn nhất là 40 cm, khoảng cách giữa các

ISBN: 978-604-80-5076-4


200


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

V.

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển
khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong
đề tài mã số 103.99-2019.325".
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]

[3]

Hình 8. Hệ số truyền qua của hệ thống ở khoảng cách 40 cm.

IV.

[4]

KẾT LUẬN

Bài báo này trình bày một giải pháp hiệu quả để
truyền năng lượng cho các thiết bị điện mà không cần

dây dẫn. Hệ thống truyền năng lượng không dây tầm
trung được nghiên cứu bằng cả phân tích lý thuyết, mơ
phỏng và chế tạo thực nghiệm. Các đo đạc thực
nghiệm cho kết quả phù hợp với tính tốn, mơ phỏng
trước đó. Hệ thống WPT được khảo sát với khoảng
cách truyền đối xứng cố định 40 cm. Bằng cách điều
chỉnh cẩn thận các thông số mạch để đạt được phối
hợp trở kháng tốt nhất hệ số truyền qua đạt được 62%.
Chúng tôi tin rằng hệ thống này có thể được ứng dụng
rộng rãi cho các thiết bị di động, hoặc trong môi
trường đặc thù khi không thể sử dụng dây dẫn điện.
Tuy nhiên, khi hệ WPT hoạt động ở tần số cao thì vấn
đề nhiễu cũng như ảnh hưởng tới con người cần phải
được quan tâm. Trong các nghiên cứu tiếp theo chúng
tôi sẽ tập trung giải quyết vấn đề về nhiễu cũng như
thất thoát điện từ trường ra ngồi mơi trường của hệ
thống WPT bằng cách sử dụng các tấm kim loại hoặc
cấu trúc vật liệu mới (Metamaterial) có khả năng che
chắn, hạn chế sóng điện từ

ISBN: 978-604-80-5076-4

[5]

[6]

[7]

[8]


201

T. P. Duong, J. W. Lee, “Experimental results of highefficiency resonant coupling wireless power transfer using a
variable coupling method,” IEEE Microw. Wirel. Compon.
Lett., vol. 21, no. 8, pp. 442-444, 2011.
A. P. Sample, D. A. Meyer, and J. R. Smith, “Analysis,
experimental results, and range adaptation of magnetically
coupled resonators for wireless power transfer,” IEEE Trans.
Ind. Electron., vol. 58, no. 2, pp. 544-554, 2011.
M. Song, P. Belov, and P. Kapitanova, “Wireless power
transfer inspired by the modern trends in electromagnetics,”
Appl. Phys. Rev., vol. 4, no. 2, pp. 1102-1118, 2017.
S. Y. R. Hui, Fellow, Wenxing Zhong, and C. K. Lee. “A
critical review of recent progress in mid-range wireless power
transfer.” IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 9, pp.
4500-4511, 2013.
P. J. A. Sérgio, F. Pichorim , and C. M. Miranda, “Maximum
power transfer versus efficiency in mid-range wireless power
transfer systems.” J. Microw. Optoelectron. Electromagn.
Appl., vol. 14, no. 1, pp. 97-109, 2015.
Y. Cho, S. Lee, S. Jeong, H. Kim, C. Song, K. Yoon, J. Song,
S. Kong, Y. Yun, and J. Kim, “Hybrid metamaterial with zero
and negative permeability to enhance efficiency in wireless
power transfer system,” 2016 IEEE Wireless Power Transfer
Conference (WPTC), 2016.
Z. Liu, Z. Zhong, and Y. X. Guo, “Rapid design approach of
optimal efficiency magnetic resonant wireless power transfer
system,” Electron. Lett., vol. 52, no. 4, pp. 314–315, 2016.
J. Guo, L. Tan, H. Liu, W. Wang, and X. Huang, “Stabilization
control of output power in double-source wireless power

transfer systems without direct output feedback”. IEEE
Microw. Wirel. Compon. Lett., vol. 26, no. 11, pp. 1531-1533,
2016.