磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)諧振方式分析

周宏威，　孫麗萍，　王帥，　劉天時(shí)，　謝鵬浩

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

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磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)諧振方式分析

周宏威1,2，孫麗萍1，王帥1，劉天時(shí)1，謝鵬浩2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

摘要:磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中具有傳輸效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。從等效電路的角度研究了單發(fā)射-單接收諧振模式中串聯(lián)-串聯(lián)式、串聯(lián)-并聯(lián)式、并聯(lián)-串聯(lián)式和并聯(lián)-并聯(lián)式4種諧振模型下系統(tǒng)傳輸效率。經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真，得出了每種諧振模型下系統(tǒng)傳輸效率和輸出功率與系統(tǒng)振蕩頻率、傳輸距離及帶負(fù)載能力之間的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)每種諧振模型各有其適用工況，總結(jié)出了在設(shè)計(jì)中如何根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)闹C振方式來(lái)達(dá)到最佳的傳輸效果：當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)供電對(duì)象為小負(fù)載且僅需較小的傳輸距離時(shí)，采用串聯(lián)-串聯(lián)諧振模型能夠達(dá)到較好的傳輸效果；當(dāng)需要具有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較強(qiáng)的帶負(fù)載能力時(shí)，應(yīng)采用串聯(lián)-并聯(lián)諧振模型；當(dāng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)諧振頻率時(shí)，應(yīng)采用并聯(lián)-并聯(lián)諧振模型。最后根據(jù)4種諧振模型，實(shí)際設(shè)計(jì)制作了4套磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，驗(yàn)證了上述分析的正確性。

關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)電能傳輸；磁耦合諧振；等效電路；諧振模型

0引言

無(wú)線(xiàn)電能傳輸(wireless power transmission,WPT)技術(shù)是指在不使用導(dǎo)線(xiàn)連接的情況下，借助電場(chǎng)、磁場(chǎng)、激光等介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能定向傳輸?shù)募夹g(shù)。目前WPT技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式和電磁波輻射式三種傳輸方式[1-2]。其中，磁耦合諧振式自2006年由麻省理工學(xué)院的Marin Soljacic教授等首次提出以來(lái)[3]，由于其相比電磁感應(yīng)式具有更遠(yuǎn)的傳輸距離,比電磁波輻射式具有更高的傳輸效率，因而成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。在磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)傳能系統(tǒng)中,諧振器部分在能夠盡可能的增加傳輸距離與傳輸效率方面起到了至關(guān)重要的作用[4-8],諧振器主要有單發(fā)射-單接收模式，單發(fā)射-多接收模式和帶有中繼諧振器的模式等。單發(fā)射-多接收模式和帶有中繼諧振器的模式相比于單發(fā)射-單接收模式其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和耦合方式較為復(fù)雜，在走向?qū)嵱没矫孢€面臨諸多問(wèn)題，故而單發(fā)射-單接收模式得到了學(xué)者們的廣泛研究[7-8]。單發(fā)射-單接收模式諧振模型主要有串聯(lián)-串聯(lián)諧振(S/S)模型、串聯(lián)-并聯(lián)諧振(S/P)模型、并聯(lián)-串聯(lián)諧振(P/S)模型和并聯(lián)-并聯(lián)諧振(P/P)模型。磁耦合諧振式能量傳輸系統(tǒng)的理論研究雖已日趨成熟，但在實(shí)用裝置的研究方面卻面臨著重重難題[9]，如將工頻電源變換為高頻交流電時(shí)仍存在頻率數(shù)值的限制，如為了達(dá)到較高的傳輸效率和較遠(yuǎn)的傳輸距離需要較大的諧振線(xiàn)圈尺寸，這在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)也存在限制；因此，當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)某一WPT系統(tǒng)時(shí)，由于頻率或線(xiàn)圈尺寸的限制，系統(tǒng)的某些參數(shù)是固定不可改變的。此時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)選擇具體某一諧振方式獲得更佳的傳輸效率就成為了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)前僅有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)串聯(lián)-串聯(lián)及串聯(lián)-并聯(lián)諧振模型下影響傳輸效率的因素進(jìn)行了細(xì)致的分析[10]，鮮有文獻(xiàn)對(duì)其他模型進(jìn)行分析研究，且實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)如何選擇諧振方式缺乏相關(guān)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)建立磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的物理模型，從等效電路的角度分別得出了4種諧振模型的電能傳輸效率和輸出功率的表達(dá)式，進(jìn)一步利用所得結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出了每種諧振模式下傳輸效率和輸出功率與振蕩頻率、傳輸距離及負(fù)載之間的變化關(guān)系，以及如何根據(jù)實(shí)際參數(shù)選取相應(yīng)的諧振模型從而達(dá)到最優(yōu)的傳輸效率、功率輸出、傳輸距離和帶負(fù)載能力。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，為具體設(shè)計(jì)WPT系統(tǒng)時(shí)諧振方式的選擇和參數(shù)的選取提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1不同諧振電路特性概述

對(duì)磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的理論分析目前大致有耦合模型理論和等效電路理論[11]，從等效電路的角度建立了WPT系統(tǒng)的物理模型，利用等效參數(shù)的方法對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率和輸出功率進(jìn)行了分析與推導(dǎo)。文獻(xiàn)[12]將負(fù)載電阻與高頻下接收線(xiàn)圈的等效電阻等效成為同一個(gè)電阻，這在分析4種諧振模型時(shí)影響了表達(dá)式的準(zhǔn)確性，降低了計(jì)算的精度。因此，建立了如下的系統(tǒng)等效模型，將負(fù)載電阻與線(xiàn)圈等效電阻分開(kāi)計(jì)算，并對(duì)系統(tǒng)能量傳輸效率進(jìn)行了推導(dǎo)。

1.1串聯(lián)-串聯(lián)式諧振模型分析

圖1為串聯(lián)-串聯(lián)式系統(tǒng)等效電路，其中，AC為振蕩交流電源；C1為發(fā)射部分等效補(bǔ)償電容；L1為發(fā)射線(xiàn)圈等效電感；R1為發(fā)射線(xiàn)圈在高頻下的等效電阻；M為線(xiàn)圈間的互感；C2為接收部分等效補(bǔ)償電容；L2為接收線(xiàn)圈等效電感；R2為接收線(xiàn)圈在高頻下的等效電阻；RL為等效電阻。

圖1　串聯(lián)-串聯(lián)式系統(tǒng)等效電路Fig.1　Equivalent circuit of series-series model

根據(jù)串聯(lián)-串聯(lián)式系統(tǒng)等效電路可列出KVL方程：

(1)

(2)

令

(3)

(4)

解得傳輸效率的表達(dá)式為

(5)

1.2串聯(lián)-并聯(lián)式諧振模型分析

圖2　串聯(lián)-并聯(lián)式系統(tǒng)等效電路Fig.2　Equivalent circuit of series-parallel model

圖2為串聯(lián)-并聯(lián)式系統(tǒng)等效電路圖，根據(jù)等效電路列KVL方程：

(6)

(7)

令

(8)

(9)

解得傳輸效率的表達(dá)式為

(10)

1.3并聯(lián)-串聯(lián)式諧振模型分析

圖3　并聯(lián)-串聯(lián)式系統(tǒng)等效電路Fig.3　Equivalent circuit of parallel-series model

圖3為并聯(lián)-串聯(lián)式系統(tǒng)等效電路圖，根據(jù)等效電路列KVL方程：

(11)

(12)

令

(13)

(14)

則傳輸效率的表達(dá)式為

(15)

1.4并聯(lián)-并聯(lián)式諧振模型分析

圖4　并聯(lián)-并聯(lián)式系統(tǒng)等效電路Fig.4　Equivalent circuit of parallel-parallel model

圖4為并聯(lián)-并聯(lián)式系統(tǒng)等效電路圖，根據(jù)等效電路列KVL方程：

(16)

(17)

令

(18)

(19)

則傳輸效率的表達(dá)式為

(20)

2磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)仿真

表1　系統(tǒng)元件參數(shù)值

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行初步分析后發(fā)現(xiàn)串聯(lián)-串聯(lián)諧振模型與串聯(lián)-并聯(lián)諧振模型的系統(tǒng)能量傳輸特性具有一定的相似性，而并聯(lián)-串聯(lián)諧振模型與并聯(lián)-并聯(lián)諧振模型具有一定的相似性，故接下來(lái)將4種模型首先分為兩組進(jìn)行兩兩比較分析。

2.1串聯(lián)-串聯(lián)模型與串聯(lián)-并聯(lián)模型仿真分析

2.1.1對(duì)傳輸距離的分析

為減少變量的維數(shù)探究?jī)煞N模型下η、Po隨f、D的變化關(guān)系，首先固定負(fù)載RL=3 kΩ，圖5為RL=3kΩ時(shí)，串聯(lián)-串聯(lián)模型和串聯(lián)-并聯(lián)模型下η、Po隨f、D的變化規(guī)律。

圖5　RL=3 kΩ，串聯(lián)-串聯(lián)模型和串聯(lián)-并聯(lián)模型下η、　　　Po隨f、D的變化關(guān)系Fig.5　When RL=3 kΩ，relationship between η,　　　Poand f,D under series-series model and　　　series-parallel model

由圖5可以得出：

1)兩模型僅在系統(tǒng)諧振頻率點(diǎn)附近，具有較大的功率輸出。因而若采用上述兩種模型，應(yīng)首先保證系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)。

2)對(duì)于此仿真模型建立的系統(tǒng)，當(dāng)其工作于諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸距離小于10 cm時(shí)，串聯(lián)-串聯(lián)模型相較于串聯(lián)-并聯(lián)模型具有較大的傳輸效率和功率輸出；大于10 cm時(shí)，串聯(lián)-并聯(lián)模型具有較好的傳輸效果。

2.1.2對(duì)帶負(fù)載能力的分析

接下來(lái)固定傳輸距離為兩模型的臨界距離D=10 cm，探究η、Po、f、RL的變化關(guān)系。

圖6　D=10 cm，串聯(lián)-串聯(lián)模型和串聯(lián)-并聯(lián)模型下η、　　　Po隨f、RL的變化關(guān)系Fig.6　When D=10 cm,the relationship between η,　　　Poand f,RLunder series-series model and　　　series-parallel model

由圖6可以得出：

1)同2.1.1結(jié)論一致，兩模型均在1.11 MHz即系統(tǒng)諧振頻率點(diǎn)處達(dá)到最高傳輸效率和具有較高的功率輸出。

2)在保證功率輸出的前提下，串聯(lián)-并聯(lián)模型相比于串聯(lián)-串聯(lián)模型，具有更強(qiáng)的帶負(fù)載能力。而當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，串聯(lián)-串聯(lián)模型的傳輸效率和功率具有較好的輸出效果。

2.2并聯(lián)-串聯(lián)模型與并聯(lián)-并聯(lián)模型仿真分析

2.2.1對(duì)傳輸距離的分析

分析過(guò)程同上，固定RL=3kΩ，探究并聯(lián)-串聯(lián)模型和并聯(lián)-并聯(lián)模型下η、Po、f、D的變化關(guān)系。

圖7　RL=3 kΩ，并聯(lián)-串聯(lián)模型和并聯(lián)-并聯(lián)模型下η、　　　Po隨f、D的變化關(guān)系Fig.7　When RL=3 kΩ,relationship between η,　　　Poand f,D under parallel-series model and　　　 parallel-parallel model

由圖7可以看出：

1)上述兩種模型，在諧振頻率點(diǎn)處，傳輸距離最小，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，不論是采用并聯(lián)-串聯(lián)模型還是并聯(lián)-并聯(lián)模型，都不應(yīng)使系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，即系統(tǒng)振蕩頻率的設(shè)計(jì)應(yīng)避開(kāi)諧振頻率。

2)并聯(lián)-串聯(lián)模型的傳輸效率雖然要高于并聯(lián)-并聯(lián)模型，但其整體輸出功率較??；并聯(lián)-并聯(lián)模型在低頻處存在較高的傳輸效率和功率，同時(shí)其傳輸距離要遠(yuǎn)于并聯(lián)-串聯(lián)模型。

2.2.2對(duì)帶負(fù)載能力的分析

由圖7可以看出，這一組諧振模型的傳輸距離與上一組相比較近，因此首先固定D=3 cm，探究η、Po隨f、RL的變化關(guān)系。

圖8　D=3 cm，并聯(lián)-串聯(lián)模型和并聯(lián)-并聯(lián)模型下η、　　　Po隨f、RL的變化關(guān)系Fig.8　When D=3 cm,the relationship between η,　　　Poand f,RLunder parallel-series model and　　　 parallel-parallel model

由圖8可以得出：并聯(lián)-串聯(lián)模型和并聯(lián)-并聯(lián)模型的帶負(fù)載能力與傳輸距離的特性類(lèi)似。當(dāng)系統(tǒng)工作頻率較低時(shí)，在保傳輸效率和功率的前提下，采用并聯(lián)-并聯(lián)模型具有較好的帶負(fù)載能力。而并聯(lián)-串聯(lián)模型幾乎不存在功率輸出。

需要說(shuō)明的是，雖然在此仿真下，并聯(lián)-串聯(lián)模型幾乎不存在功率輸出以及其他模型的傳輸距離、輸出功率等參數(shù)都較小，這是由此次仿真所設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)決定的，本仿真的目的是為了探究各參數(shù)對(duì)傳輸效率和功率的影響關(guān)系，同時(shí)對(duì)比相同參數(shù)條件下各諧振模型的傳輸效果，從而通過(guò)選取合適的諧振模型達(dá)到提升系統(tǒng)傳輸效率和功率的目的，而不是從參數(shù)的角度提升模型的傳輸效果。

2.3小結(jié)

綜上分析，綜合比較無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的4種磁耦合諧振模型，可得出如下結(jié)論：

1)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)供電對(duì)象為小負(fù)載、且傳輸距離較小時(shí)，采用串聯(lián)-串聯(lián)諧振模型并使系統(tǒng)振蕩頻率處于諧振頻率處能夠獲得最佳的傳輸效率和輸出功率。

2)當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求在保證效率和功率的前提下具有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較強(qiáng)的帶負(fù)載能力時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用串聯(lián)-并聯(lián)諧振模型并使系統(tǒng)振蕩頻率處于諧振頻率處。

3)當(dāng)系統(tǒng)只能工作于較低的振蕩頻率(針對(duì)此系統(tǒng)為幾百kHz)，且供電對(duì)象為微距和小負(fù)載，采用并聯(lián)-并聯(lián)諧振模型能夠獲得相比于其他三種諧振模型較好的傳輸效果。

4)并聯(lián)-串聯(lián)諧振系統(tǒng)雖然在高頻處的傳輸效率、傳輸距離和帶負(fù)載能力都具有很好的效果，但其整體功率輸出效果不佳，因此并不建議采用。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性，根據(jù)4種諧振模型，分別設(shè)計(jì)了4套磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由220 V電源、變壓整流濾波電路、振蕩電路、發(fā)射電路、接收電路和負(fù)載6個(gè)部分組成。其中，振蕩電路芯片采用日立公司生產(chǎn)的HA17555，負(fù)載用高精度可調(diào)電位器代替。系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)如表2所示。其中發(fā)射和接收線(xiàn)圈均采用線(xiàn)徑為0.05 mm的紫銅，線(xiàn)圈半徑均為5 cm，匝數(shù)為10匝。負(fù)載電阻用5 kΩ的可調(diào)電位器代替，系統(tǒng)振蕩頻率的可調(diào)范圍為0～3 MHz。

表2　系統(tǒng)主要元件參數(shù)值

3.1串聯(lián)-串聯(lián)模型和串聯(lián)-并聯(lián)模型傳輸距離的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證串聯(lián)-串聯(lián)模型工作于諧振狀態(tài)時(shí)在近距離和小負(fù)載的情況下傳輸效率和功率較大，串聯(lián)-并聯(lián)模型工作于諧振狀態(tài)時(shí)在較遠(yuǎn)距離和較大負(fù)載的情況下具有較好傳輸效果的仿真結(jié)論，首先對(duì)兩模型的傳輸距離進(jìn)行驗(yàn)證。兩系統(tǒng)諧振頻率均為f=1.11 MHz，串聯(lián)-串聯(lián)系統(tǒng)負(fù)載取500 Ω，串聯(lián)-并聯(lián)系統(tǒng)負(fù)載取2.5 kΩ。兩系統(tǒng)傳輸效率η、輸出功率Po隨距離D的變化關(guān)系如圖9所示。

圖9　串聯(lián)-串聯(lián)模型與串聯(lián)-并聯(lián)模型下η、　　　Po隨D變化的理論與實(shí)驗(yàn)值Fig.9　Theoretical and experimental values of η,　　　Poand D under series-series model and　　　series-parallel model

圖10　串聯(lián)-串聯(lián)模型與串聯(lián)-并聯(lián)模型下η、　　　Po隨RL變化的理論與實(shí)驗(yàn)值Fig.10　Theoretical and experimental values of η,　　　Poand RLunder series-series model and　　　series-parallel model

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)值與理論值存在一定的差異，這是由于手工繞制線(xiàn)圈不夠精密、系統(tǒng)本身的功率損耗以及部分近似計(jì)算導(dǎo)致的。忽略這些因素，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本一致，變化規(guī)律也基本吻合。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：串聯(lián)-串聯(lián)諧振系統(tǒng)在6 cm處達(dá)到最佳的傳輸效率和輸出功率；串聯(lián)-并聯(lián)諧振系統(tǒng)則在16 cm處達(dá)到效率和功率峰值，驗(yàn)證了仿真的結(jié)論。

3.2串聯(lián)-串聯(lián)模型和串聯(lián)-并聯(lián)模型負(fù)載的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于4.1節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證串聯(lián)-串聯(lián)系統(tǒng)和串聯(lián)-并聯(lián)系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下的傳輸效果。諧振頻率仍為1.11 MHz，為達(dá)到各自最佳的傳輸效果，串聯(lián)-串聯(lián)系統(tǒng)傳輸距離固定為6 cm，串聯(lián)-并聯(lián)系統(tǒng)固定傳輸距離為16 cm。兩模型系統(tǒng)傳輸效率和功率隨負(fù)載的變化關(guān)系如圖10所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖10(a)、10(b)可知，對(duì)于串聯(lián)-串聯(lián)系統(tǒng)，其傳輸效率隨著負(fù)載電阻的增大而減小，而串聯(lián)-并聯(lián)系統(tǒng)在距離較小時(shí)傳輸效率較小，負(fù)載變大時(shí)，傳輸效率增加，之后負(fù)載的繼續(xù)增大對(duì)傳輸效率的影響不大。

圖11　并聯(lián)-并聯(lián)模型下η、Po隨f變化的　　　理論與實(shí)驗(yàn)值Fig.11　Theoretical and experimental values of η,　　　Poand f under parallel-parallel model

由圖10(c)、10(d)可知，串聯(lián)-串聯(lián)系統(tǒng)在600 Ω處達(dá)到輸出功率峰值，串聯(lián)-并聯(lián)系統(tǒng)在2.5 kΩ處達(dá)到輸出功率峰值，驗(yàn)證了上述結(jié)論。

3.3并聯(lián)-串聯(lián)模型和并聯(lián)-并聯(lián)模型系統(tǒng)頻率對(duì)傳輸效率和輸出功率影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)基本參數(shù)與上述模型基本相同，系統(tǒng)傳輸距離設(shè)定為2 cm,負(fù)載電阻330 Ω，系統(tǒng)振蕩頻率變化范圍為0～3 MHz。對(duì)于并聯(lián)-串聯(lián)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真相同，基本無(wú)功率輸出，因此不再將數(shù)據(jù)列出。對(duì)于并聯(lián)-并聯(lián)模型，其系統(tǒng)傳輸效率和輸出功率隨頻率的變化結(jié)果如圖11所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在功率輸出類(lèi)似的情況下，采用并聯(lián)-并聯(lián)模型應(yīng)用于近距離和小負(fù)載的無(wú)線(xiàn)電能傳輸相比于其他三種系統(tǒng)具有更高的傳輸效率。

4結(jié)論

本文從等效電路的角度分析了四種諧振模型下磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率、傳輸距離和負(fù)載電阻對(duì)系統(tǒng)傳輸效率和輸出功率的影響。通過(guò)建模分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)如何根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)選取合適的諧振模型實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的傳輸效果：當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)供電對(duì)象為小負(fù)載且僅需較小的傳輸距離時(shí)，如為智能清潔機(jī)器人無(wú)線(xiàn)供電時(shí)[14-15]，采用串聯(lián)-串聯(lián)諧振模型能夠達(dá)到較好的供電效果；當(dāng)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要具有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較強(qiáng)的帶負(fù)載能力時(shí)，應(yīng)采用串聯(lián)-并聯(lián)諧振模型；當(dāng)要對(duì)智能手機(jī)等小型手持設(shè)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電時(shí)，由于線(xiàn)圈大小等參數(shù)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)諧振頻率時(shí)[16]，此時(shí)采用并聯(lián)-并聯(lián)諧振模型相比于采用其他模型在同等條件下將具有更佳的傳輸效果。

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(編輯：張楠)

Resonant model analysis of wireless power transfer via magnetic resonant coupling

ZHOU Hong-wei1,2，SUN Li-ping1，WANG Shuai1,LIU Tian-shi1,XIE Peng-hao2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China;2.State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract:Wireless power transmission system via magnetic resonant coupling in the actual design displays its superiority in its higher efficiency,simpler structure,stronger practicability,etc.Research was conducted on the transmission efficiency of the single launch-receive model in series-series model,series-parallel model,parallel-series model and parallel-parallel model under four kinds of resonant model system,from the view of equivalent circuits.By numerical the effects that the operation frequency,distance between the coils and load resistance may have on the efficiency and the output power was obtained.The results show that each resonator model works well under certain conditions,and summarizes the way to choose the corresponding resonant model to achieve the best transmission effect according to the specific situation in the actual design. When the design of the system power supplies for a small load and distance,using the series-series model better result is achieved,and when the design needs to have a longer distance for transmission and strong load capacity,it should be used in series-parallel model.

Keywords:wireless power transfer; magnetic resonant coupling; equivalent circuit; resonant model

收稿日期:2015-06-03

基金項(xiàng)目：科技部“電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKLD13KM03)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2572016CB04)；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(201310225163)；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目(KY2015045)

作者簡(jiǎn)介：周宏威(1982—)，男，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)數(shù)值計(jì)算；

通信作者:孫麗萍

DOI:10.15938/j.emc.2016.07.009

中圖分類(lèi)號(hào):TM 724

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-449X(2016)07-0065-09

孫麗萍(1958—)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)值分析和智能檢測(cè)；

王帥(1992—)，男，本科生，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)數(shù)值計(jì)算；

劉天時(shí)(1993—)，男，本科生，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)數(shù)值計(jì)算；

謝鵬浩(1982—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡姶偶嫒菖c仿真技術(shù)。