摘 要： 諧振耦合式無線電能傳輸技術是一種新興電能傳輸方式，提高傳輸功率和效率已成為其應用發(fā)展的瓶頸問題。通過仿真與實驗探究了提高頻率和改善線圈參數(shù)兩種不同提高系統(tǒng)品質因數(shù)的方法對能量傳輸效率、功率與傳輸距離之間的影響規(guī)律。結果表明，提高系統(tǒng)共振頻率可明顯提高系統(tǒng)能量有效傳輸距離，但導致最高輸出功率明顯下降，而對傳輸效率影響不明顯；改善線圈參數(shù)可顯著提高最高輸出功率，而對輸出效率和有效傳輸距離影響不明顯。系統(tǒng)頻率響應仿真與實驗結果顯示，小幅偏離共振頻率點引起輸出功率急劇下降。系統(tǒng)共振頻率隨接收端與發(fā)射端間耦合系數(shù)增加出現(xiàn)分裂現(xiàn)象，造成能量傳輸功率下降。

　　關鍵詞： 諧振耦合；品質因數(shù)；頻率響應；頻率分裂

0 引言

　　無線電能傳輸概念最早由尼古拉·特斯拉提出并開展實驗研究[1]。與傳統(tǒng)的有線供電技術相比[2]，無線電能傳輸可實現(xiàn)電源與用電負載間完全的電氣隔離，避免接觸放電等安全隱患，具有安全、可靠、靈活等無可比擬的優(yōu)點[3]。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，無線電能已衍生微波、無線電波、激光、超聲波等輻射傳輸模式和電磁感應、諧振耦合兩種非輻射傳輸模式[4]，它們都有各自的優(yōu)缺點[5-6]。

　　電磁感應式是過去二十幾年來無線電能傳輸技術發(fā)展的主要形式，目前已有電動牙刷、電動剃須刀等商業(yè)化產(chǎn)品推向市場。雖然感應式無線電能傳輸?shù)男室话爿^高，能達到80%甚多層電感器至90%，但其傳輸距離很短，使其不能滿足最廣泛的應用需求；在此背景下，MIT的Marin Soljacic教授團隊提出利用磁共振耦合方式提高傳輸距離的思想，先后實現(xiàn)了2 m、60 W至5 m、800 W的無線能量傳輸[7]，從而掀起了磁諧振耦合式無線電能傳輸技術的研究熱潮。相較電磁感應傳輸模式，該模式有效能量傳輸距離明顯提高，已進入中程距離的傳輸范圍，應用范圍將更加廣泛，但其傳輸效率和功率存在較大下降，效率僅能達到40%左右,且隨著傳輸距離的增加而急劇下降。因此，如何有效提高傳輸功率和效率，是目前磁諧振耦合無線電能傳輸技術的發(fā)展瓶頸。對此技術的研究無論是在國內還是在國際上目前仍處于起步階段，耦合模理論[8-9]、電路理論[10]等理論模型已相繼指出保證諧振系統(tǒng)工作在共振頻點附近是系統(tǒng)進行高效率能量傳遞的基本條件，在其基礎上提高品質因數(shù)可提高系統(tǒng)傳輸效率。

　　本文采用電路理論及仿真技術分析了提高共振能量傳輸效率的方法，并通過實驗對提高頻率和改善線圈參數(shù)兩種不同提高系統(tǒng)品質因數(shù)的方法對能量傳輸效率、功率與傳輸距離之間的影響規(guī)律，這對于合理設計線圈參數(shù)和驅動電路具有十分重要的指導價值。最后通過頻率響應和頻率分裂的仿真分析揭示了系統(tǒng)工作在共振頻率點的重要性。

1 理論分析

　　諧振耦合式無線電能傳輸通過具有相同諧振頻率的兩個線圈共振實現(xiàn)電能傳輸，工作過程為：發(fā)射電路產(chǎn)生高頻信號供給發(fā)射線圈，線圈中交變電流在諧振體（線圈加外接電容）周圍產(chǎn)生高頻交變磁場；當接收線圈與發(fā)射線圈的諧振頻率一致時，接收線圈與發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，線圈之間開始能量傳遞；負載電路把接收線圈中的能量轉換為適合負載工作的電壓。諧振系統(tǒng)可分為串聯(lián)諧振方式與并聯(lián)諧振方式，與電磁感應耦合相同，諧振耦合按電容的接入方式可分為SS、SP、PS、PP 4種[11]。本文以SS型為例進行分析。圖1為相應的等效電路圖。其中R1、R2、C1、C2都為線圈在高頻下的寄生參數(shù)，L1、L2為線圈的電感量，Rs為驅動電路等效電阻，RL為負載的電阻值。

　　兩線圈諧振時諧振角頻率?棕=(L1C1)-1/2=(L2C2)-1/2。列KVL方程推導出[12-13]接收端的功率與效率：

　　其中發(fā)射端與接收端的耦合系數(shù)為：k=M(L1L2)-1/2，電路品質因數(shù)為：Q1=wL1(RS+R1)-1，Q2=wL2(R2+RL)-1。

　　M為兩線圈之間的互感[14]，當兩端的線圈采用密繞空心線圈，可用下面的互感公式計算系統(tǒng)兩端的互感：

　　其中，真空磁導率，N一體成型貼片電感器生產(chǎn)廠家1、N2為收發(fā)線圈的匝數(shù)，r1、r2為收發(fā)圈的半徑，D為兩線圈之間的距離。 大功率電感廠家 |大電流電感工廠