磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率影響因素研究

王巖燕

（平?jīng)雎殬I(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 平?jīng)?744000）

1 無(wú)線電能傳輸技術(shù)

1.1 電磁微波型無(wú)線電能傳輸

電磁微波型無(wú)線輸電傳輸原理為用微波源將電能轉(zhuǎn)化為微波，通過(guò)發(fā)射天線將微波發(fā)射，讓微波在自由空間中傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩说奶炀€接收后，經(jīng)整流為其他設(shè)備供電。微波電能傳輸有定向性好以及可以穿透電離層等特性。但是由于微波無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）的工作頻率高、系統(tǒng)能量傳輸效率較低，因此并不適用于能量傳輸距離較短的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.2 電磁感應(yīng)型無(wú)線電能傳輸

電磁感應(yīng)式WPT的基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理，電能的傳輸需要經(jīng)過(guò)3個(gè)過(guò)程。首先，發(fā)射側(cè)通過(guò)整流、逆變發(fā)射能量；其次，相互分離的發(fā)射側(cè)線圈和接收側(cè)線圈通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)在較近距離條件下電磁能量的傳輸；最后接收端接收能量經(jīng)過(guò)整流、逆變后給設(shè)備供電。

1.3 磁耦合諧振型無(wú)線電能傳輸

磁耦合諧振型WPT和電磁感應(yīng)型WPT相比，其能量的有效耦合性更好，電能的傳輸效率更高，可利用其對(duì)激勵(lì)頻率具有嚴(yán)格要求這一特性向指定電器供電，供電安全性高。此外，非接觸感應(yīng)繞組間的錯(cuò)位敏感度也低。

2 磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)

2.1 磁耦合諧振無(wú)線輸電系統(tǒng)工作原理

磁耦合諧振式無(wú)線輸電系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，線圈D為接收端線圈，線圈S為發(fā)射端線圈，若它們的共振頻率相同，當(dāng)系統(tǒng)工作的頻率為該共振頻率時(shí)，兩線圈便會(huì)發(fā)生共振，并在兩線圈間建立起能量傳輸通道，并且此時(shí)諧振回路的阻抗有最小值，由激勵(lì)電源發(fā)出的大部分能量便會(huì)通過(guò)該能量傳輸通道傳給負(fù)載。

圖1 磁耦合諧振式無(wú)線輸電系統(tǒng)的工作原理

2.2 磁耦合諧振式無(wú)線輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁耦合諧振式無(wú)線輸電系統(tǒng)的核心是磁耦合諧振技術(shù)。磁耦合諧振式無(wú)線輸電系統(tǒng)主要由兩大模塊構(gòu)成，分別是發(fā)射回路和接收回路。發(fā)射回路包括高頻震蕩源、功率放大電路以及發(fā)射線圈。高頻震蕩源為發(fā)射線圈提供高頻震蕩電流，使能量以電磁能的形式傳遞給接收回路。接收回路主要由接收線圈、整流濾波電路等負(fù)載等組成。接收線圈感應(yīng)高頻正弦電流，通過(guò)整流濾波電路將接收到的電能轉(zhuǎn)換為直流電供給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

2.3 磁耦合諧振式無(wú)線輸電系統(tǒng)的影響因素分析

磁耦合諧振式無(wú)線輸電系統(tǒng)模型如圖2所示，其中Us是高頻電源，Rs是高頻電源的內(nèi)阻，RL是負(fù)載電阻，Rad1是激磁線圈的輻射電阻，Rad2是發(fā)射線圈的輻射電阻，Rad3是接收線圈的輻射電阻，Rad4是負(fù)載線圈的輻射電阻，Rp1、Rp2、Rp3、Rp4是激磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、負(fù)載線圈內(nèi)由于集膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗電阻，L1是激磁線圈的電感，L2是發(fā)射線圈的電感，L3是接收線圈的電感，L4是負(fù)載線圈的電感，C1是與激磁線圈串聯(lián)的電容，C4是與負(fù)載線圈串聯(lián)的電容，C2是發(fā)射線圈上的分布電容，C3是接收線圈上的分布電容，M12為激磁線圈與發(fā)射線圈之間的互感系數(shù)，M23為發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感系數(shù)，M34為接收線圈與負(fù)載線圈之間的互感系數(shù)，為了便于分析，其余的互感忽略不計(jì)[1-4]。

圖2 磁耦合諧振型無(wú)線輸電系統(tǒng)模型

由圖2可知負(fù)載線圈中的阻抗Z4為：

若無(wú)線輸電系統(tǒng)工作在諧振頻率，則有：

若令R4=Rp4+Rad4，則Z4可表示為：

等效到接收線圈側(cè)的負(fù)載阻抗為：

據(jù)此可得接收線圈中的總阻抗為：

同理可以得到發(fā)射線圈的阻抗表達(dá)式為：

同樣可得激勵(lì)線圈的總阻抗為：

由式（1）—式（7）可知，無(wú)線輸電系統(tǒng)的終端負(fù)載和負(fù)載電阻RL、激磁線圈與發(fā)射線圈之間的互感系數(shù)M12、發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感系數(shù)M23、接收線圈與負(fù)載線圈之間的互感系數(shù)M34有關(guān)。改變以上幾個(gè)參數(shù)的大小一定會(huì)引起傳輸系統(tǒng)的阻抗改變，因此上述參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率有較大影響。

3 實(shí)驗(yàn)證明與分析

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，本文用圖2所示的電路原理開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的電磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中電磁發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)由螺旋線圈組成。

3.1 頻率對(duì)傳輸效率的影響

當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離恒定,負(fù)載為純電阻性負(fù)載時(shí)，改變電源的輸出頻率來(lái)改變輸電系統(tǒng)的總負(fù)載，得到輸出效率與頻率的變化關(guān)系。在電源頻率逐漸增大的過(guò)程中，無(wú)線電能傳輸?shù)墓β氏仍龃箅S后又逐漸減小，并且在頻率為一個(gè)恒定值時(shí)傳輸效率達(dá)到最大值[5]。由此說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)整頻率改變負(fù)載阻抗值的方法使功放模塊的輸出功率達(dá)到最大值。由于輸出功率最大時(shí)反射功率就會(huì)最小，功放模塊上的熱損失也最小，此時(shí)的效率最大。

3.2 互感系數(shù)M23對(duì)傳輸效率的影響

當(dāng)負(fù)載的阻性為純阻性，信號(hào)發(fā)生器頻率為固定值時(shí)，通過(guò)改變發(fā)射、接收兩線圈之間的距離得到互感系數(shù)M23對(duì)傳輸效率的影響關(guān)系。改變發(fā)射、接收兩線圈間的距離，傳輸效率會(huì)隨著線圈間距離的變化而變化。在線圈間距離不斷增大的過(guò)程中，電能輸送的效率按照先增大隨后又減小的規(guī)律變化，并且在一個(gè)特定距離時(shí)效率達(dá)到最大值。這說(shuō)明兩線圈間的距離對(duì)電能傳輸?shù)男视绊戄^大，用調(diào)整距離改變M23的方法可以改變電能無(wú)線傳輸?shù)男蔥6-8]。

3.3 負(fù)載電阻RL對(duì)傳輸效率的影響

當(dāng)發(fā)射、接收線圈之間的距離恒定，電源的頻率固定時(shí)，改變負(fù)載電阻大小，可得到輸出效率隨著RL的變化情況。隨著負(fù)載電阻阻值的不斷增大，無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率不斷減小。

3.4 互感系數(shù)M12和M34對(duì)傳輸效率的影響

當(dāng)負(fù)載為純阻性負(fù)載，電源頻率固定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)激磁線圈與發(fā)射線圈的距離能夠改變激磁線圈與發(fā)射線圈之間互感系數(shù)M12的值；通過(guò)調(diào)節(jié)接收線圈與負(fù)載線圈的距離能夠改變接收線圈與負(fù)載線圈之間互感系數(shù)M34的值，接收線圈的電壓均有所提高，說(shuō)明調(diào)節(jié)M12、M34的大小也會(huì)影響電能的輸出效率[9,10]。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究表明，電源的輸出頻率、互感系數(shù)M23、負(fù)載大小、互感系數(shù)M12以及互感系數(shù)M34這些參數(shù)都會(huì)影響磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的能量傳輸效率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮各因素的影響，優(yōu)化參數(shù)，使無(wú)線輸電系統(tǒng)的效率最佳。