磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)功率特性研究

李江　馬騰　張鵬　王學(xué)斌

摘 要：傳輸功率和傳輸距離一直是無(wú)線電能傳輸研究的熱點(diǎn)問(wèn)題?；诖篷詈现C振式無(wú)線能量傳輸原理，根據(jù)系統(tǒng)傳輸模型，推導(dǎo)出傳輸功率和傳輸效率公式。從而仿真分析了系統(tǒng)傳輸功率和傳輸距離之間的關(guān)系，研究了能量傳輸特性。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸；磁耦合諧振；傳輸功率

無(wú)線電能傳輸是一種新型的電能傳輸方式。該技術(shù)在導(dǎo)線無(wú)需直接連接的情況下，就可將電能以無(wú)線的形式進(jìn)行傳輸，省去了使用導(dǎo)線的不便，并且用電安全[1]。自從2007年MIT學(xué)者M(jìn)arin Soljacic等人首次提出通過(guò)線圈諧振耦合的方法，磁耦合諧振式無(wú)線電能就成為國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究熱點(diǎn)，因具有傳輸效率高、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)，從而該技術(shù)得到了廣泛研究與應(yīng)用[2]。

1 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸原理

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端，接收端由高頻逆變電路和發(fā)射線圈構(gòu)成，接收端包含接收線圈、整流濾波電路和負(fù)載。發(fā)射線圈和接收線圈分別構(gòu)成兩個(gè)相互匹配的LC諧振電路。在高頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)發(fā)射端電路頻率接近發(fā)射線圈的固有頻率時(shí)，發(fā)射諧振線圈回路不斷產(chǎn)生電磁波向空間發(fā)射，在近場(chǎng)區(qū)形成交變磁場(chǎng)。而接收諧振線圈經(jīng)過(guò)磁耦合諧振接收空間電磁波，再將接收到了高頻電流進(jìn)行整流濾波供給負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。

2 系統(tǒng)模型與仿真

根據(jù)磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)的相關(guān)理論，通過(guò)兩個(gè)耦合線圈實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。高頻交流電源為Us，發(fā)射線圈和接收線圈電感分別為L(zhǎng)1和L2，電容為C1和C2，R1和R2分別是發(fā)射端和接收端等效電阻，負(fù)載用RL表示，M為互感。當(dāng)系統(tǒng)電源角頻率為ω時(shí)，則兩線圈自阻抗分別是：

式中，D為兩線圈距離，n1，n2分別為發(fā)射與接收線圈匝數(shù)，r1，r2分別為發(fā)射與接收線圈半徑。由于兩線圈參數(shù)和結(jié)構(gòu)相同，可令n=n1=n2，r=r1=r2。

結(jié)合式（4）和式（6），可得出輸出功率與傳輸距離之間的關(guān)系式。使用Matlab仿真軟件繪制出磁耦合諧振式無(wú)線電能輸出功率和傳輸距離仿真圖，如圖2所示。由圖2可知，隨著傳輸距離的增加，傳輸功率先增大后減小。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸工作原理進(jìn)行了分析，建立了傳輸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停贸隽讼到y(tǒng)輸出功率和傳輸距離的關(guān)系。利用Matlab仿真工具對(duì)系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行仿真，從中得出傳輸功率隨著傳輸距離先增大后減小的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1]黃學(xué)良，譚林林，陳中，等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（10）：1-11.

[2]楊慶新，陳海燕，徐桂芝.無(wú)接觸電能傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010.