基于磁耦合諧振的無(wú)線能量傳輸技術(shù)探討

徐玭

在當(dāng)前的社會(huì)當(dāng)中，隨著科技的不斷發(fā)展，輸電領(lǐng)域中也開(kāi)始應(yīng)用了越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)，其中，無(wú)線電能傳輸技術(shù)，是一種十分有效的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的有線電傳輸技術(shù)，能量傳輸技術(shù)的安全性、靈活性都的特性都更為良好。在該領(lǐng)域當(dāng)中，基于磁耦合諧振的無(wú)線能量傳輸技術(shù)是其中一項(xiàng)具有代表性的技術(shù)，因此，本文對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究和探討。

【關(guān)鍵詞】磁耦合諧振 無(wú)線能量 傳輸技術(shù)

無(wú)線能量傳輸技術(shù)，也可叫做無(wú)接觸能量傳輸，通過(guò)對(duì)無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力能源的傳輸。無(wú)線能量傳輸技術(shù)從而技術(shù)的層面上來(lái)看，和無(wú)線電通信技術(shù)十分相似，在接收技術(shù)、發(fā)射技術(shù)等方面，都具有較大的相似性，二者唯一的區(qū)別就在于傳輸能量和傳輸信息。而在無(wú)線能量傳輸技術(shù)中，最大的問(wèn)題就在于彌散、吸收衰減等問(wèn)題。

1 基于磁耦合諧振的無(wú)線能量傳輸原理

1.1 耦合模

對(duì)于多個(gè)電磁波模式之間的耦合情況，可以通過(guò)耦合模的理論進(jìn)行研究，在同類的波動(dòng)模式或不同的波動(dòng)模式當(dāng)中，都能夠存在耦合，在相同波導(dǎo)電磁波和不同波導(dǎo)電磁波當(dāng)中，也能夠存在耦合。耦合模具有較為簡(jiǎn)單的概念，可分解復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，使之成為孤立的單元，然后對(duì)其運(yùn)動(dòng)方程組進(jìn)行求解，利用方程組的解，對(duì)孤立單元的簡(jiǎn)正模進(jìn)行表示。假定孤立單元之間，形成原有復(fù)雜系統(tǒng)的方式為弱耦合，則該狀態(tài)下孤立單元不會(huì)受到太大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)擾動(dòng)。因此，可以通過(guò)利用這些孤立單元的微小擾動(dòng)，來(lái)對(duì)復(fù)雜的耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述。

1.2 電磁輻射

根據(jù)電磁理論，如果電流作為場(chǎng)源，在其改變的時(shí)候，周?chē)拇艌?chǎng)、電場(chǎng)等，也會(huì)隨之發(fā)生改變，隨著時(shí)間發(fā)生改變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，會(huì)轉(zhuǎn)化為空間上的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間不斷的轉(zhuǎn)化、環(huán)繞，從而形成一個(gè)整體，也就是電磁場(chǎng)。在電磁場(chǎng)當(dāng)中，電磁輻射指的是加速度不為零的帶點(diǎn)運(yùn)動(dòng)粒子、震蕩電流、震蕩電荷等，將電磁能量傳送到外部空間，在空間中根據(jù)特定的速度進(jìn)行傳輸。電荷能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)和電場(chǎng)，但只是在加速運(yùn)動(dòng)的前提下才能產(chǎn)生。隨著時(shí)間的變化，導(dǎo)線中電流發(fā)生振蕩，將小段載流直導(dǎo)線作為電偶極子，載流圓環(huán)作為磁偶極子。

2 基于磁耦合諧振的無(wú)線能量傳輸技術(shù)

2.1 PFC電路

EMI對(duì)單相交流電進(jìn)行濾波，在單項(xiàng)橋時(shí)不可控整流電路中，需要經(jīng)過(guò)整流濾波的處理。濾波電容具有充放電特性、整流二極管則具有非線性，因此，在交流電壓舒適絕對(duì)值比濾波電容兩端電壓高時(shí)，整流二極管才會(huì)導(dǎo)通。而在其它時(shí)候，反向截止則是主要的狀態(tài)。因此，輸入電流會(huì)呈現(xiàn)尖峰脈沖，會(huì)嚴(yán)重的污染電網(wǎng)諧波。所以，為了抑制諧波，需要對(duì)功率因數(shù)校正技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。通常來(lái)說(shuō)，可采用APFC電路結(jié)構(gòu)應(yīng)用在DC/DC變換器拓?fù)渲小Ｆ渲校珺oost生涯電路使PFC電路中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)種類。

2.2 數(shù)字控制器

電路中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類較多，控制電路也較為復(fù)雜，因此，如果對(duì)模擬芯片進(jìn)行利用，分立元件需求較多，因而會(huì)花費(fèi)較高成本。同時(shí)對(duì)于電路控制的穩(wěn)定性、精確性等，都會(huì)受到溫漂問(wèn)題、模擬器件老化問(wèn)題等，都會(huì)造成不同的影響。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以對(duì)CPLD、DSP等進(jìn)行應(yīng)用。DSP指的是數(shù)字信號(hào)處理器，作為一種數(shù)字信號(hào)計(jì)算處理速度很快的微控制器，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的控制算法加以實(shí)現(xiàn)。CPLD指的是可編程邏輯器件，針對(duì)用戶的需求，數(shù)字集成電路能夠?qū)壿嫻δ苓M(jìn)行自行構(gòu)造。

2.3 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸電路中，主要包括無(wú)線能量傳輸線圈、全橋高頻逆變電路、全橋DC/DC變換器、PFC功率因數(shù)校正電路、EMI濾波電路等部分。在電網(wǎng)當(dāng)中將開(kāi)關(guān)電源接入，對(duì)于電源受到電網(wǎng)波動(dòng)的影響，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行規(guī)避，對(duì)電網(wǎng)受到電源高頻諧波的干擾也要進(jìn)行避免。所以，在第一級(jí)電網(wǎng)接入電源的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)EMI濾波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在EMI中主要包括傳導(dǎo)干擾、輻射干擾等，而在開(kāi)關(guān)電源中通常只需對(duì)傳導(dǎo)干擾進(jìn)行考慮。而傳導(dǎo)干擾中又包括差模干擾、共模干擾等部分，在設(shè)計(jì)中，還需要限制濾波器。

2.4 高頻逆變電路

在DC/AC全橋逆變電路中，同一橋臂中，相互導(dǎo)通兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，同時(shí)導(dǎo)通兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，對(duì)四個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷進(jìn)行控制，在輸出測(cè)，產(chǎn)生的交流方波電壓幅值與輸入電壓幅值相同。在輸出側(cè)，如果對(duì)LC并聯(lián)諧振電路進(jìn)行建立，產(chǎn)生的正弦電壓有效值能夠和輸入電壓相同。在基于磁耦合諧振的無(wú)線能量傳輸技術(shù)中，發(fā)射線圈是依靠逆變電路輸出進(jìn)行供電。所以，應(yīng)當(dāng)具有兆赫級(jí)別的工作頻率。同時(shí)，為了對(duì)便于對(duì)電路的試驗(yàn)研究和優(yōu)化改進(jìn)，應(yīng)當(dāng)提供可隨意調(diào)節(jié)的輸出電壓和工作頻率。

2.5 DC/DC變換器

在DC/DC全橋變換器當(dāng)中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管對(duì)同一橋臂進(jìn)行互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，通過(guò)對(duì)四個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷的控制，在變壓器原邊，會(huì)有和輸入電壓幅值相同的交流方波電壓產(chǎn)生。在變壓器變比已知的情況下，變壓器進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，在變壓器副邊，產(chǎn)生的交流方波電壓為輸入電壓與便變壓器變比之間的比值。通過(guò)整流，對(duì)直流方波電壓進(jìn)行輸出，然后在LC濾波下，使直流電壓達(dá)到平穩(wěn)。不過(guò)，由于此種控制方法難以有效的應(yīng)對(duì)升高的開(kāi)關(guān)頻率，因而采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，在通斷開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，能夠達(dá)到零電流或零電壓，因而避免了損耗。

3 結(jié)論

在當(dāng)前的社會(huì)當(dāng)中，電力能源是最為主要的能源之一，在很多領(lǐng)域當(dāng)中，都需要對(duì)電力能源進(jìn)行應(yīng)用。傳統(tǒng)的電力能源傳輸都是通過(guò)輸電線路實(shí)現(xiàn)的，而在海島、沙漠、高原地區(qū)供電；井下、油田供電線路；植入式醫(yī)療器械供電；智能家居電能供應(yīng)；太空能源輸送等方面，都對(duì)無(wú)線傳輸方式有著較高的要求。因此，采用基于磁耦合諧振的無(wú)限能量傳輸技術(shù)，能夠更好的滿足這些應(yīng)用需求。

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作者單位

南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省南京市 210046