耦合諧振式無線供電系統(tǒng)研究

林新　王春

【摘 要】近年來隨著無線供電技術迅速發(fā)展，耦合諧振供電技術也取得了飛速的進步。其作為一種新技術受到廣泛關注的同時也取得了巨大的發(fā)展，其由最初的理論研究也轉為生產或生活的實際應用。針對目前使用的耦合諧振系統(tǒng)，在其基礎上加入中繼諧振線圈來實現(xiàn)傳輸距離和效率的提高。理論上解決原有耦合諧振系統(tǒng)傳輸距離和傳輸效率較低的問題。

【關鍵詞】無線供電；耦合諧振；中繼諧振線圈；傳輸距離；傳輸效率

0 引言

無線供電系統(tǒng)作為一種新型供電系統(tǒng)，在安全快捷性能上與傳統(tǒng)的有線輸電系統(tǒng)比較具有顯著優(yōu)勢，而在無線供電方式中由于耦合諧振供電技術能夠實現(xiàn)中等傳輸距離以及高效率傳輸，因此在安全性和可靠性等方面比其他傳輸方式更有優(yōu)勢。研究表明發(fā)射線圈和接收線圈直徑的增大，可以有效提高傳輸距離，但大尺寸線圈又容易受到環(huán)境的限制；雖然減少發(fā)射端和接收端的負載能夠提高傳輸距離，但增加線圈電流強度的同時使得電感線圈的功率增大，使得傳輸效率變低。而使用高無載Q值的線圈諧振器雖然能夠降低線圈損耗來彌補自身效率較低的情況，但是相應的成本又較高。本文通過分析來驗證添加設計的無源中繼諧振線圈可以有效降低負載以及線圈的能量消耗。使得各模塊在系統(tǒng)運行過程中消耗少量的系統(tǒng)能量，實現(xiàn)提高無線供電系統(tǒng)傳輸距離和效率的目的。

1 無線供電系統(tǒng)的原理及特點

1.1 無線供電基本原理

無線供電系統(tǒng)從基礎原理來說，其源自于1889年由物理學家尼古拉.特斯拉提出的無線電力傳輸技術。目前發(fā)展的無線供電技術從技術層面上分析一般有兩種拓撲結構，其一是利用2個線圈進行無線電能傳輸，稱為兩線圈結構；另一種為了滿足電源的匹配以及實現(xiàn)相應系統(tǒng)的負載匹配，在原有的2個諧振線圈基礎上添加2個感應線圈，使電源和發(fā)射線圈以及負載與接收線圈有效隔離，我們稱這種結構為四線圈結構。

1.2 無線供電系統(tǒng)特點

耦合諧振供電系統(tǒng)其技術可追溯到美國麻省理工大學（MIT）的科學家在2007年首次提出的磁耦合諧振技術，其基本原理是利用兩個具有相同本征頻率的諧振線圈，在一定的距離條件下，通過在本征頻率處耦合諧振，達到電能傳遞的目的。近年來無線供電技術被廣泛利用，但目前來看，無線供電技術尚未成熟還處于初級階段，很多問題有待解決，而目前開發(fā)出來的無線供電系統(tǒng)的傳輸距離和功率都較低，如何提高無線供電系統(tǒng)的傳輸距離和功率成為現(xiàn)在無線電能傳輸技術的一個瓶頸。

2 整體設計方案

本文研究的無線供電系統(tǒng)使用的中繼線圈是在傳統(tǒng)兩線圈式無線供電系統(tǒng)上，在發(fā)射和接收線圈中間加入一個尺寸、參數(shù)與發(fā)射和接收線圈完全一樣的中繼線圈，其位置位于發(fā)射線圈和接收線圈中間，同時三線圈的高度滿足同軸平行。加入的中繼線圈上需要接有諧振電容，以便保證中繼線圈諧振頻率與發(fā)射和接收線圈保持一致，滿足發(fā)射-中繼-接收三個線圈處在相同的狀態(tài)實現(xiàn)諧振耦合。中繼線圈上的寄生電阻在系統(tǒng)運行過程中損耗少量能量，可以忽略不計。中繼線圈的作用是將發(fā)射線圈發(fā)出的變化的磁場耦合到中繼線圈上，然后中繼線圈與接收線圈之間再次耦合，將電能傳遞到接收線圈，實現(xiàn)電能從發(fā)射端到接收端的傳輸。最后由接收端的整流與調整模塊接收并且提供給負載使用。

由耦合諧振供電系統(tǒng)原理可知設計要求發(fā)射線圈，中繼線圈以及接收線圈必須本征頻率相同才能達到最大傳輸效率。同時要使得電磁能量高效率的傳輸?shù)浇邮站€圈，合理的設計各無線供電模塊以及優(yōu)化各項數(shù)據(jù)也可使得系統(tǒng)傳輸距離和效率有效穩(wěn)定提高，其原理與作用也可以由前文提到的兩種拓撲結構得到。

3 無線供電系統(tǒng)結構分析

在基礎的無線供電系統(tǒng)中分析線圈的拓撲結構，從增加線圈的角度出發(fā)，通過增加一個線圈的方法，來研究和設計其傳輸和效率問題。從量子力學的電磁理論上分析出磁場能量傳輸按照曲線路徑傳輸，而不是跟沒有中繼諧振線圈的無線供電系統(tǒng)那樣直線傳輸，其曲線傳輸有利于接收線圈接收磁場能，因此可以得到增加一個線圈可以有效的提高傳輸距離和效率。當接收線圈存在偏移現(xiàn)象時，我們可以通過調整中繼線圈的方向或者改變它的參數(shù)等來使得傳輸效率增加。傳統(tǒng)的兩線圈式無線供電系統(tǒng)在電能的傳輸距離和效率上都相對不高，而增加一個中繼諧振線圈在保持電能傳輸?shù)耐瑫r還可相對的提高傳輸距離和傳輸效率。其等效電路模型如圖1所示：

如圖所示圖中L1，L2，L3分別是發(fā)射線圈，中繼諧振線圈以及接收線圈的電感量，C1，C2，C3為發(fā)射線圈，中繼線圈以及接收線圈的諧振電容。那么其諧振時電感電容應該滿足公式W=1=1=1，其中？棕0為原來的系統(tǒng)諧振頻率，k1為發(fā)射和中繼線圈的耦合系數(shù)，k2為接收和中繼線圈的耦合系數(shù)，當使用一個中繼諧振線圈時，其在效率峰值處的頻率為根據(jù)公式原理可以在系統(tǒng)原有線圈發(fā)生偏移時對其中繼線圈的數(shù)據(jù)進行研究和設定，得到中繼線圈的最優(yōu)線圈距離和偏轉角度，使得系統(tǒng)重新實現(xiàn)高效率的電能傳輸。

4 系統(tǒng)軟件設計

通過matlab仿真可以得到距離，頻率，以及效率等各數(shù)據(jù)之間的關系，通過圖像比對進行比較加入中繼諧振線圈和沒加入中繼諧振線圈的無線供電系統(tǒng)其傳輸效率和傳輸距離之間的差別，得到加入中繼諧振線圈的無線供電系統(tǒng)比沒加入中繼線圈的系統(tǒng)在傳輸距離和效率上有顯著提高。

5 結語

本文從耦合諧振無線供電系統(tǒng)的定義以及結構出發(fā)，通過對加入中繼諧振線圈的無線供電系統(tǒng)基本結構和工作原理的闡釋，得到加入中繼諧振線圈可以有效率提高傳輸距離和效率。

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[責任編輯：田吉捷]