《電子技術(shù)應(yīng)用》
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磁共振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性研究
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2014年第1期
薛臥龍,冀文峰,杜凱召,陳 莉
(河北大學(xué) 電信學(xué)院,河北 保定 071002)
摘要: 基于兩線圈無線電能傳輸結(jié)構(gòu),采用實(shí)驗(yàn)的方法,分析了磁共振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率、傳輸距離以及傳輸效率三者之間的關(guān)系。驗(yàn)證了系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)傳輸效率最高這一結(jié)論。實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)的諧振頻率會(huì)隨傳輸距離的變化而產(chǎn)生波動(dòng),且在特定傳輸距離上傳輸效率最高,稱為最佳傳輸距離。此外,收發(fā)線圈之間的距離處于最佳傳輸距離附近時(shí),系統(tǒng)的諧振頻率越高,傳輸效率越高。利用互感耦合理論,對(duì)最佳傳輸距離作了理論分析,結(jié)果表明,最佳傳輸距離與電源和負(fù)載的阻抗的匹配情況有關(guān)。
Abstract:
Key words :

摘  要: 基于兩線圈無線電能傳輸結(jié)構(gòu),采用實(shí)驗(yàn)的方法,分析了磁共振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率傳輸距離以及傳輸效率三者之間的關(guān)系。驗(yàn)證了系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)傳輸效率最高這一結(jié)論。實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)的諧振頻率會(huì)隨傳輸距離的變化而產(chǎn)生波動(dòng),且在特定傳輸距離上傳輸效率最高,稱為最佳傳輸距離。此外,收發(fā)線圈之間的距離處于最佳傳輸距離附近時(shí),系統(tǒng)的諧振頻率越高,傳輸效率越高。利用互感耦合理論,對(duì)最佳傳輸距離作了理論分析,結(jié)果表明,最佳傳輸距離與電源和負(fù)載的阻抗的匹配情況有關(guān)。
關(guān)鍵詞: 磁共振耦合;無線能量傳輸;諧振頻率;傳輸距離;傳輸效率

 為了擺脫有形輸電介質(zhì)的束縛,實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸,早在20世紀(jì)初,Nikola Tesla提出無線輸電試驗(yàn)的構(gòu)想,雖然當(dāng)時(shí)這一設(shè)想并未實(shí)現(xiàn),但人們對(duì)無線電能傳輸技術(shù)的研究探索并未中斷。近年來,無線電能傳輸技術(shù)作為21世紀(jì)最值得期待的技術(shù)受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。
 無線電能傳輸WPT(Wireless Power Transfer),又稱無接觸式電能傳輸CPT(Contactless Power Transfer),是一種以非接觸的方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸方式,即通過電磁感應(yīng)、共振、射頻、微波和激光等方式實(shí)現(xiàn)電能的非接觸式傳輸[1]?,F(xiàn)有的無線電能傳輸技術(shù),根據(jù)現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)手段可分為感應(yīng)耦合傳輸、共振耦合傳輸、無線電射頻傳輸、微波傳輸和激光傳輸?shù)取?br />  磁共振耦合無線電能傳輸技術(shù)是利用接收線圈固有頻率與發(fā)射電磁頻率一致時(shí)引起電磁共振[2],發(fā)生強(qiáng)電磁耦合,從而實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸?shù)囊环N技術(shù)。該技術(shù)自2007年由麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授所在團(tuán)隊(duì)[3]提出以來,備受各國(guó)研究人員關(guān)注。目前已針對(duì)磁共振耦合無線電能傳輸技術(shù)做了大量研究,已有文獻(xiàn)涉及的主要研究?jī)?nèi)容包括無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型[4]、線圈設(shè)計(jì)和傳輸特性[5-7]等,其主要目的是在保證傳輸距離的前提下提高傳輸效率,實(shí)現(xiàn)電能高效穩(wěn)定傳輸。本文以實(shí)驗(yàn)的方法得出無線電能傳輸?shù)膫鬏旑l率、傳輸效率以及傳輸距離三者間的關(guān)系,并通過分析論證了實(shí)驗(yàn)的合理性。
1 無線電能傳輸系統(tǒng)模型構(gòu)建
1.1 基本結(jié)構(gòu)

 利用磁共振耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸,至少需要兩個(gè)線圈作為收發(fā)線圈,即為兩線圈結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[3]為了便于實(shí)現(xiàn)電源匹配和負(fù)載匹配,采用四線圈結(jié)構(gòu),即增加兩個(gè)線圈分別作為發(fā)射線圈和接收線圈,以獨(dú)立于電源和負(fù)載。本文為了便于分析,采用兩線圈結(jié)構(gòu),其等效電路如圖1所示。

 由圖3可知,隨頻率的增加,傳輸效率先增大后減小,且在諧振點(diǎn)時(shí)達(dá)最大值,即收發(fā)線圈在發(fā)生諧振時(shí)傳輸效率最高。此外,在距離D=10 cm時(shí),諧振頻率f1=1.359 MHz;D=20 cm時(shí),諧振頻率f2=1.382 MHz。諧振頻率前后變化不大,但其效率明顯下降,說明傳輸距離對(duì)諧振頻率影響不大,卻是影響傳輸效率的重要因素。
 改變收發(fā)線圈間的距離,調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率使接收端示波器觀測(cè)到的輸出電壓峰峰值最大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

 將線圈兩端并聯(lián)電容更換為C=1 nF,精度為10%,重復(fù)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

 

 

 分析圖6可知:經(jīng)計(jì)算得諧振頻率為2.77 MHz,即提高了系統(tǒng)的諧振頻率。由曲線圖可知,當(dāng)距離D>10 cm時(shí),諧振頻率的變化對(duì)傳輸效率影響不大;當(dāng)距離D<10 cm時(shí),諧振頻率越高效率越高。
 本文對(duì)磁共振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和線圈設(shè)計(jì)作了簡(jiǎn)要介紹,通過實(shí)驗(yàn)的方法得出了無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸頻率、傳輸距離及傳輸效率三者之間的關(guān)系,驗(yàn)證了系統(tǒng)處于諧振時(shí)傳輸效率最高這一結(jié)論,并推導(dǎo)分析了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)最佳傳輸距離這一現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)還表明,在最佳傳輸距離附近,系統(tǒng)的諧振頻率越高,傳輸效率越高。本文的實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果對(duì)無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
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