磁共振無線充電技術功率傳輸效率提高方法綜述

徐 棟，王冬青

（1.青島大學 自動化學院，青島 266071；2.青島大學 電氣工程學院，青島 266071）

0 引言

無線充電技術是近年來研究的熱點，它使用戶能夠像通過空氣傳輸數(shù)據(jù)一樣方便地對移動設備進行充電。無線充電技術的發(fā)展消除了電力傳輸對物理導體的依賴，從而大幅度減少其產(chǎn)生的大量電子廢物[1～3]。

目前，無線充電技術主要分為遠場和近場兩種。遠場技術是利用電磁波或無線電頻率廣播進行傳播，其傳輸能量的方式與無線電傳輸信號的方式相同[4]。遠場技術允許在大范圍內(nèi)進行傳輸功率，但它有幾個局限性，如傳輸功率和效率低以及會對周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。

近場技術主要分為感應耦合技術和磁共振技術。感應耦合技術的工作距離通常小于發(fā)射信號的波長，但由于發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合不足，因此具有傳輸范圍小的限制（約幾厘米）[2]。

磁共振無線充電技術比傳統(tǒng)的感應耦合技術更高效，可以在更長的范圍內(nèi)進行功率的傳輸。磁共振無線充電技術最初是基于耦合模理論提出的，耦合模理論證明了磁共振技術可以在大耦合距離下提高功率傳輸效率[5]。磁共振無線充電系統(tǒng)在小型無線電源、非接觸式充電電動汽車、醫(yī)療保健設備和工業(yè)自動化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[6]。但在此類應用中，接收裝置相對于發(fā)射裝置的范圍和方向會在用戶使用過程中不斷變化[2]，這導致功率傳輸效率不能始終保持最大值。為了滿足磁共振無線充電系統(tǒng)對功率傳輸效率的要求，本文主要從自動頻率調(diào)諧、阻抗匹配、線圈配置等幾個方向進行分析，對提高功率傳輸效率的方法進行總結(jié)。

1 系統(tǒng)概述

圖1為磁共振無線充電系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端包括交流電源、整流器、DC/DC升壓變換器、逆變器、補償網(wǎng)絡和發(fā)射線圈，接收端由接收線圈、補償網(wǎng)絡、整流器和負載組成。在發(fā)射端，交流電源通過整流器整流成直流；DC/DC升壓變換器增加直流電源的電壓；逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源，為補償網(wǎng)絡和發(fā)射線圈提供電能。為了最大限度地提高功率傳輸效率，需要對接收端的補償網(wǎng)絡進行調(diào)諧，使其具有與發(fā)射端相同的諧振頻率，從而在發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生共振。然后接收線圈通過兩個線圈之間的相互耦合的電感從發(fā)射線圈接收電能。最后電能經(jīng)過整流電路對負載或設備進行充電。

2 功率傳輸效率的提高方法

圖1 磁共振WPT系統(tǒng)示意圖

對于兩線圈磁共振無線充電系統(tǒng)，功率傳輸效率受線圈間耦合系數(shù)、線圈品質(zhì)因數(shù)、工作頻率、負載等因素的影響[3]。

2.1 阻抗匹配

對于雙線圈磁共振無線充電系統(tǒng)，由于線圈間具有漏感，實際負載值并不總是等于理想值，因此需要設計阻抗匹配電路以匹配實際負載和理想負載之間的阻抗[7]，使系統(tǒng)獲得最大的功率傳輸效率。在發(fā)射端采用阻抗匹配技術可以實現(xiàn)輸入電壓和輸入電流的零相位角，不需要電源提供無功功率，即電源的視在功率等于有功功率。在接收端，通過阻抗匹配技術可以使其具有與發(fā)射端相同的諧振頻率，從而最大限度地提高功率傳輸效率。此外，阻抗匹配技術可以實現(xiàn)功率晶體管的軟開關，從而降低開關損耗。阻抗匹配技術的另一個優(yōu)點是實現(xiàn)恒流或恒壓充電，即輸入電壓值固定時，輸出的直流電流或直流電壓固定。

阻抗匹配電路具有多種拓撲結(jié)構(gòu)，采用線性負載分析或數(shù)值分析方法可以方便地設計電路參數(shù)。圖2為阻抗匹配電路的四種基本補償拓撲，即SS、SP、PS和PP。其中，“S”或“P”分別代表補償電容和線圈之間串聯(lián)或并聯(lián)。

圖2 四種基本補償拓撲

文獻[8]研究了四種基本補償拓撲，他們證明了PS和PP補償拓撲中的發(fā)射端補償電容Ct與線性負載有關。在這種情況下，當線性負載值變化時，發(fā)射端電容Ct必須重新設計才能保證得到最大的功率傳輸效率。而在SS和SP補償拓撲中，發(fā)射電容Ct是獨立于線性負載的。因此，SS和SP補償拓撲更適合于可變線性負載條件。

圖3 雙邊LCC補償拓撲

密歇根大學的研究人員[9]提出了一種新的阻抗匹配技術——雙邊LCC補償拓撲。與SS補償拓撲相比，雙邊LCC補償拓撲引入了兩個補償線圈來補償耦合線圈所產(chǎn)生的消耗。如圖3所示，補償線圈L1與接收端的電容C1共振，Lr和Cr結(jié)合起來與C2產(chǎn)生共振，因此共振頻率與負載條件和耦合系數(shù)無關。由于雙邊補償拓撲的對稱性，在接收端L2與C2發(fā)生共振，Lt和Ct與C1發(fā)生共振。雙面LCC補償拓撲保證了系統(tǒng)的共振振頻率與負載條件和線圈間耦合系數(shù)無關。因此，當Us固定時，輸出功率是恒定的。文獻[10]將補償線圈集成到雙線圈系統(tǒng)中，可以提供6KW的負載功率，在150mm的工作范圍內(nèi)達到95%以上的功率傳輸效率。文獻[11]使用基于LCL-T的阻抗匹配電路，使得穩(wěn)態(tài)輸出電流與負載無關。文獻[12]提出了一種新型的S-CLC補償拓撲，它由一個補償電感和三個補償電容組成，允許恒壓輸出和零相位切換。盡管補償方法多種多樣，但很少有人考慮非線性整流負載的補償方法。在許多應用中，如電動汽車和手機無線充電，無線充電系統(tǒng)的輸出電路總是使用整流電路將高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電，因此會使在電路中引入非線性元素。對于非線性整流負載，阻抗匹配設計比線性負載更為復雜。整流負載的等效阻抗值不僅受其參數(shù)的影響，而且受前置阻抗匹配電路的影響，不能簡單地簡化為線性阻抗[3]。因此，在整流負載下，接收線圈阻抗匹配電路參數(shù)的設計比較困難。文獻[3]推導了基于基本元件的整流器負載等效阻抗計算方法，以實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的最大功率傳輸效率。

2.2 共振頻率自動跟蹤方法

磁共振無線充電系統(tǒng)存在兩種共振頻率，一種為系統(tǒng)固有的諧振頻率，它與線圈及補償電容的參數(shù)有關；另外一種為兩個線圈相互耦合作用下的共振頻率，它與線圈間的耦合強度有關。通過將系統(tǒng)的工作頻率調(diào)整至系統(tǒng)固有諧振頻率或線圈耦合作用下的共振頻率，可以提高無線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率。文獻[13]給出了一種自動跟蹤系統(tǒng)固有諧振頻率的方法，該方法可以在固定工作頻率下提高無線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率。然而，該方法的實現(xiàn)要求發(fā)射端和接收端的電路參數(shù)準確，而且需要兩端的固有諧振頻率保持一致。調(diào)整系統(tǒng)共振頻率以實現(xiàn)輸入電壓和電流的零相位角或?qū)崿F(xiàn)最小反射系數(shù)，也可以提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。在文獻[14]中，通過推導輸入電壓和電流零相位角頻率的計算公式，提出了一種自動跟蹤共振頻率來提高系統(tǒng)功率傳輸效率的方法。然而，這些方法需要獲得關于發(fā)射線圈和接收線圈之間耦合系數(shù)的信息，增加了實際應用的難度。

2.3 提高線圈間耦合系數(shù)

當發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)越大時，無線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率就越大。因此，可以通過增強線圈間的耦合系數(shù)開提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。

耦合系數(shù)是關于兩個線圈之間的互感強度的函數(shù)，它與線圈間的互感強度成正比。而線圈間的互感強度與線圈所包圍的磁通量成正比。線圈所圍成的區(qū)域越大則通過線圈的磁通量就越大，因此線圈間的互感強度與線圈幾何形狀有關。另外，互感強度也與線圈所處的磁場強度的影響。因此，為了增強線圈之間的耦合系數(shù)，可以對線圈的幾何形狀和磁場強度進行研究。

通常，耦合系數(shù)與相互作用線圈的幾何形狀直接相關，這意味著可以通過使用更大的線圈來增強兩個線圈之間的耦合。但是在實際應用中往往會由于空間等原因限制線圈的尺寸。因此，線圈設計研究的重點通常是通過選擇適當數(shù)量的線圈匝數(shù)、匝間距和匝間寬度，來最大化給定幾何形狀的線圈的導體長度。

增強磁場強度是一種被廣泛應用于短距離無線充電系統(tǒng)的提高耦合系數(shù)的方法。典型的技術包括使用鐵氧體材料來改變發(fā)射線圈中激勵磁場的分布。鐵氧體通常具有高磁導率和相對低的渦流損耗，可將激勵磁場定向到預期的耦合方向。因此，無線充電系統(tǒng)的線圈大多應用鐵氧體磁芯發(fā)射線圈，鐵氧體板和鐵氧體片接收線圈[15,16]。

除此之外，由于激勵磁場的強度隨距離的增加而減小，線圈間的耦合系數(shù)還與線圈間的距離有關。因此，磁共振無線充電系統(tǒng)的耦合系數(shù)的提高需要考慮線圈之間的距離和磁場強度的組合影響，才能更好地提高系統(tǒng)在長工作距離下的功率傳輸效率。

2.4 提高線圈的品質(zhì)因數(shù)

磁共振無線充電系統(tǒng)存在一個臨界耦合點，當耦合系數(shù)大于臨界耦合點時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)最大功率傳輸效率，且功率傳輸效率接近恒定不變。而當耦合系數(shù)小于臨界耦合點時，隨著耦合系數(shù)地減小，功率傳輸效率急劇下降。因此，盡可能地最小化臨界耦合點可以提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。臨界耦合點與線圈的品質(zhì)因數(shù)有關，線圈品質(zhì)因數(shù)越高，臨界耦合點越小，提高線圈的品質(zhì)因數(shù)可以增大系統(tǒng)的工作范圍并實現(xiàn)接近恒定的最大傳輸效率。

品質(zhì)因數(shù)表示線圈的電抗部分與線圈本身的電阻部分的比率，其描述了線圈中的峰值能量與每個周期的能量消耗之間的關系。因此，可以使用具有高電抗比的線圈設計來實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)線圈。通常，增加線圈品質(zhì)因數(shù)的方法是增加線圈的電感，同時限制寄生電容以實現(xiàn)高線圈電抗，并使用高導電材料制造線圈以減少線圈的線圈電阻。

實現(xiàn)高線圈電抗的方法是設計具有合適匝數(shù)，導體直徑和匝間空間的線圈。通常，線圈匝間的間隔緊密、線圈導體的直徑小可以增加線圈自感。文獻[17]中提出使用雙匝布局，可以增加平面線圈上的匝數(shù)。通過使用利茲線等低阻線圈材料[17]可以使線圈電阻減小，從而增大線圈品質(zhì)因數(shù)。

3 結(jié)語

本文通過對磁共振無線充電系統(tǒng)模型的分析，介紹了使用阻抗匹配技術實現(xiàn)零相位角，應用共振頻率自動跟蹤方法來找到系統(tǒng)共振頻率，提高線圈間的耦合系數(shù)以及最大化線圈的品質(zhì)因數(shù)，可以改善系統(tǒng)的工作范圍并提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。

磁共振無線充電技術在功率傳輸效率方面的改進，將是其能否消除可充電設備對物理導體的需求以及提高電子設備移動性的決定性因素。對于非線性整流負載的阻抗匹配設計的研究、利用最少的接收端和發(fā)射端耦合信息來實現(xiàn)共振頻率的自動跟蹤、綜合線圈間距離以及線圈間耦合強度對提高線圈間耦合系數(shù)的方法進行研究、以及充分考慮線圈的幾何形狀和材料等因素實現(xiàn)線圈高品質(zhì)因數(shù)，是提高磁共振無線充電系統(tǒng)功率傳輸效率有效的方法，將會進一步推進磁共振無線充電系統(tǒng)的實用化發(fā)展。