基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術(shù)探討

徐玭

在當前的社會當中，隨著科技的不斷發(fā)展，輸電領域中也開始應用了越來越多的先進技術(shù)，其中，無線電能傳輸技術(shù)，是一種十分有效的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的有線電傳輸技術(shù)，能量傳輸技術(shù)的安全性、靈活性都的特性都更為良好。在該領域當中，基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術(shù)是其中一項具有代表性的技術(shù)，因此，本文對該技術(shù)進行研究和探討。

【關(guān)鍵詞】磁耦合諧振 無線能量 傳輸技術(shù)

無線能量傳輸技術(shù)，也可叫做無接觸能量傳輸，通過對無線電技術(shù)的應用，實現(xiàn)對電力能源的傳輸。無線能量傳輸技術(shù)從而技術(shù)的層面上來看，和無線電通信技術(shù)十分相似，在接收技術(shù)、發(fā)射技術(shù)等方面，都具有較大的相似性，二者唯一的區(qū)別就在于傳輸能量和傳輸信息。而在無線能量傳輸技術(shù)中，最大的問題就在于彌散、吸收衰減等問題。

1 基于磁耦合諧振的無線能量傳輸原理

1.1 耦合模

對于多個電磁波模式之間的耦合情況，可以通過耦合模的理論進行研究，在同類的波動模式或不同的波動模式當中，都能夠存在耦合，在相同波導電磁波和不同波導電磁波當中，也能夠存在耦合。耦合模具有較為簡單的概念，可分解復雜的耦合系統(tǒng)，使之成為孤立的單元，然后對其運動方程組進行求解，利用方程組的解，對孤立單元的簡正模進行表示。假定孤立單元之間，形成原有復雜系統(tǒng)的方式為弱耦合，則該狀態(tài)下孤立單元不會受到太大的運動狀態(tài)擾動。因此，可以通過利用這些孤立單元的微小擾動，來對復雜的耦合系統(tǒng)運動進行描述。

1.2 電磁輻射

根據(jù)電磁理論，如果電流作為場源，在其改變的時候，周圍的磁場、電場等，也會隨之發(fā)生改變，隨著時間發(fā)生改變的電場和磁場，會轉(zhuǎn)化為空間上的磁場和電場，電場和磁場之間不斷的轉(zhuǎn)化、環(huán)繞，從而形成一個整體，也就是電磁場。在電磁場當中，電磁輻射指的是加速度不為零的帶點運動粒子、震蕩電流、震蕩電荷等，將電磁能量傳送到外部空間，在空間中根據(jù)特定的速度進行傳輸。電荷能夠產(chǎn)生磁場和電場，但只是在加速運動的前提下才能產(chǎn)生。隨著時間的變化，導線中電流發(fā)生振蕩，將小段載流直導線作為電偶極子，載流圓環(huán)作為磁偶極子。

2 基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術(shù)

2.1 PFC電路

EMI對單相交流電進行濾波，在單項橋時不可控整流電路中，需要經(jīng)過整流濾波的處理。濾波電容具有充放電特性、整流二極管則具有非線性，因此，在交流電壓舒適絕對值比濾波電容兩端電壓高時，整流二極管才會導通。而在其它時候，反向截止則是主要的狀態(tài)。因此，輸入電流會呈現(xiàn)尖峰脈沖，會嚴重的污染電網(wǎng)諧波。所以，為了抑制諧波，需要對功率因數(shù)校正技術(shù)進行應用。通常來說，可采用APFC電路結(jié)構(gòu)應用在DC/DC變換器拓撲中。其中，Boost生涯電路使PFC電路中應用最為廣泛的一個種類。

2.2 數(shù)字控制器

電路中的拓撲結(jié)構(gòu)種類較多，控制電路也較為復雜，因此，如果對模擬芯片進行利用，分立元件需求較多，因而會花費較高成本。同時對于電路控制的穩(wěn)定性、精確性等，都會受到溫漂問題、模擬器件老化問題等，都會造成不同的影響。所以，在控制系統(tǒng)的設計中，可以對CPLD、DSP等進行應用。DSP指的是數(shù)字信號處理器，作為一種數(shù)字信號計算處理速度很快的微控制器，能夠?qū)Ω鞣N復雜的控制算法加以實現(xiàn)。CPLD指的是可編程邏輯器件，針對用戶的需求，數(shù)字集成電路能夠?qū)壿嫻δ苓M行自行構(gòu)造。

2.3 電路拓撲結(jié)構(gòu)

在磁耦合諧振式無線能量傳輸電路中，主要包括無線能量傳輸線圈、全橋高頻逆變電路、全橋DC/DC變換器、PFC功率因數(shù)校正電路、EMI濾波電路等部分。在電網(wǎng)當中將開關(guān)電源接入，對于電源受到電網(wǎng)波動的影響，應當進行規(guī)避，對電網(wǎng)受到電源高頻諧波的干擾也要進行避免。所以，在第一級電網(wǎng)接入電源的過程中，應當對EMI濾波電路進行設計。在EMI中主要包括傳導干擾、輻射干擾等，而在開關(guān)電源中通常只需對傳導干擾進行考慮。而傳導干擾中又包括差模干擾、共模干擾等部分，在設計中，還需要限制濾波器。

2.4 高頻逆變電路

在DC/AC全橋逆變電路中，同一橋臂中，相互導通兩個開關(guān)管，同時導通兩個開關(guān)管，對四個開關(guān)管通斷進行控制，在輸出測，產(chǎn)生的交流方波電壓幅值與輸入電壓幅值相同。在輸出側(cè)，如果對LC并聯(lián)諧振電路進行建立，產(chǎn)生的正弦電壓有效值能夠和輸入電壓相同。在基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術(shù)中，發(fā)射線圈是依靠逆變電路輸出進行供電。所以，應當具有兆赫級別的工作頻率。同時，為了對便于對電路的試驗研究和優(yōu)化改進，應當提供可隨意調(diào)節(jié)的輸出電壓和工作頻率。

2.5 DC/DC變換器

在DC/DC全橋變換器當中，兩個開關(guān)管對同一橋臂進行互補導通，兩個開關(guān)管同時導通，通過對四個開關(guān)管通斷的控制，在變壓器原邊，會有和輸入電壓幅值相同的交流方波電壓產(chǎn)生。在變壓器變比已知的情況下，變壓器進行隔離轉(zhuǎn)換，在變壓器副邊，產(chǎn)生的交流方波電壓為輸入電壓與便變壓器變比之間的比值。通過整流，對直流方波電壓進行輸出，然后在LC濾波下，使直流電壓達到平穩(wěn)。不過，由于此種控制方法難以有效的應對升高的開關(guān)頻率，因而采用了軟開關(guān)技術(shù)，在通斷開關(guān)的過程中，能夠達到零電流或零電壓，因而避免了損耗。

3 結(jié)論

在當前的社會當中，電力能源是最為主要的能源之一，在很多領域當中，都需要對電力能源進行應用。傳統(tǒng)的電力能源傳輸都是通過輸電線路實現(xiàn)的，而在海島、沙漠、高原地區(qū)供電；井下、油田供電線路；植入式醫(yī)療器械供電；智能家居電能供應；太空能源輸送等方面，都對無線傳輸方式有著較高的要求。因此，采用基于磁耦合諧振的無限能量傳輸技術(shù)，能夠更好的滿足這些應用需求。

參考文獻

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作者單位

南京郵電大學電子科學與工程學院 江蘇省南京市 210046