基于磁共振的無線能量傳輸充電技術(shù)的探索

林盛　徐放　高慶忠　張杰

摘 要：磁共振無線能量傳輸充電技術(shù)是一種不借助線路，依托磁場共振為設(shè)備原理的高效充電的技術(shù)。磁共振方式由高頻電源，發(fā)射諧振器，接收諧振器和負載組成，當兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個固有的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量。但是由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜多變，通過對耦合模型的分析，在保證發(fā)射端參數(shù)不變的前提下有半徑對于接受端的影響是最大的，它能夠最直接的影響傳輸效率。

關(guān)鍵詞：WPT 磁共振 傳輸功率 固有頻率

中圖分類號：TM724 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0042-01

無線電能傳輸WPT是不借助任何接觸類的電器元件是電源和設(shè)備之間完成電能傳輸?shù)姆绞?。已知的無線電能傳輸技術(shù)，根據(jù)實現(xiàn)的方式和原理又可分為感應(yīng)耦合式傳輸、電磁共振耦合式傳輸、無線電射頻傳輸、微波傳輸和激光傳輸?shù)取?007年7月6日，MIT的助理教授Marin Soljacic[1]領(lǐng)導(dǎo)的6人小組正式在科學(xué)雜志上發(fā)表了他們關(guān)于磁共振無線電能傳輸技術(shù)方面研究的文獻，并且成功利用該成果點亮了2m外功率60w的燈泡，傳輸功率達到了40%。共振的優(yōu)勢在于可延長傳輸距離，該技術(shù)可望在電動汽車、工業(yè)機器人、航空航天、軍事、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域大力發(fā)展。

1 基本原理

電磁共振的磁場強（近場）無線能量傳輸是多個學(xué)科交叉技術(shù)，其工作原理和傳輸?shù)念l段物理模型介于無線電波傳輸理論和傳統(tǒng)電路模型之間，通過了解無線充能的這種基本原理和模型構(gòu)造方便我們深入的進行探索。

一個電感和一個電容可以構(gòu)成一個LC諧振電路，當電感或者電容的能量被激活的情況下，在不考慮能損的理想情況下，電能會周期連貫的以電感中的磁場和電容中的電場為媒介儲存，這樣能量周期交替儲存過程在電路理論中被稱為諧振。這個震蕩電路電感附近的磁場在這樣周期性儲能變化中會產(chǎn)生一種交變磁場。當選取兩個諧振器當發(fā)射端和接收端并調(diào)節(jié)震蕩頻率一致時，發(fā)射端一側(cè)的諧振器磁場激發(fā)，磁場中的部分磁力線會在另一側(cè)諧振器的電感線圈中交聯(lián)，諧振電路電感激發(fā)的磁場是一個交變磁場，又電磁感應(yīng)原理交變磁場的磁力線的交聯(lián)部分通過另一側(cè)諧振器電感線圈時，變化的磁場會產(chǎn)生電場。兩個諧振器的諧振頻率且相同，交變磁場產(chǎn)生的電場會儲存于另一側(cè)的諧振器電容中。 這樣一個過程讓發(fā)射端的諧振電路中的能量傳輸?shù)搅私邮斩艘粋?cè)。

2 電路分析

通過上面的介紹可知能量傳輸答題經(jīng)過三個階段，而磁耦合諧振式（WPT）系統(tǒng)大體上由兩個回路構(gòu)成：高頻電源和發(fā)射線圈回路；負載和接受線圈的回路。如果單純從場的角度理解頗為復(fù)雜，我們可以簡化為二回路的互感電路模型如圖2所示。這種方式屬于單對單的傳輸模式，而且單純利用的是近場的耦合傳輸電能的原理，不利于提高傳輸?shù)木嚯x和效率也不利于實現(xiàn)閉環(huán)的控制。所以現(xiàn)有的實踐研究表明通過防止中間諧振裝置可以提升傳輸?shù)木嚯x和效率，也就是在原有的基礎(chǔ)上加入諧振發(fā)射回路，和諧振接收回路。這種四個回路三次互感的機制我們同樣可以簡化為二回路的等效電路分析

其中V1是發(fā)射端回路的交流電壓（來自高頻電路由于互感系數(shù)不變而為定值）。 R1為發(fā)射端回路的等效電阻；C1為發(fā)射段回路的等效電容（此處使用了p/p拓撲即發(fā)射和接收端都并聯(lián)諧振）；L1為發(fā)射端電路的等效電感；M是L1、L2的互感系數(shù)；D設(shè)為發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離；L2、R2、C2是接收端與上文意義相同的的參數(shù)；i1 和i2分別為兩個回路中的電流；RL為接收端連接的等效負載電阻；Vo設(shè)為輸出電壓。

使用等效電路讓復(fù)雜的模型得到簡化進而簡化計算，聯(lián)立方程[3]最后可以得到傳輸效率公式：

ü飧齬嬌梢鑰吹降縋艽淶男屎突ジ邢凳⑾⑾喙兀飧雋渴艿槳ㄏ呷Φ綹校癡衿骶嗬耄刃У繾璧攘康鬧圃跡鈧匾氖且Vば癡窠瞧德飾衷詮逃釁德噬希頤強梢醞ü傻韉牡縟藎鶻詰刃У縟蕁？

3 結(jié)語

磁共振式的無線能量輸送不論是在應(yīng)用前景上或是在未來的科研探索上都是濃墨重彩的一筆，相比較而言它比其他的無接觸式的電能傳輸而言它有著更多的使用價值。雖然在實際應(yīng)用的大型高效性上有著技術(shù)瓶頸亟待解決，但是我們有理由相信不就得將來我們不再使用電線電纜，這需要科研工作者一次次實驗改進，同時也需要社會企業(yè)的扶持和幫助。2010年海爾公司就曾經(jīng)展示過它的“無尾”電視，該產(chǎn)品正是利用磁共振無線傳能的原理。我們希望也有更多產(chǎn)品一步步引領(lǐng)科技前沿，在各個領(lǐng)域都有WPT技術(shù)的身影。

參考文獻

[1] 范興明，莫小勇，張鑫.磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀及應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（12）.

[2] 趙彪，陳希有，于慶廣.用于非接觸電能傳輸?shù)淖赃m應(yīng)諧振技術(shù)原理[J].電工電能新技術(shù)，2010，22（2）：33-37.

[3] 張小壯.磁耦合諧振式無線能量傳輸距離特性及其實驗裝置研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.