淺談無線充電磁耦合共振線圈的應(yīng)用與發(fā)展

周惠媛

【摘 要】隨著科技的發(fā)展以及時(shí)代的不斷變化，無線充電成為了各大企業(yè)以及高校的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的電子設(shè)備需要攜帶各式各樣的充電設(shè)備，故而使人們的生活有著諸多不便。論文首先介紹磁耦合共振無線充電的基本原理，其次對(duì)磁耦合共振的無線傳輸進(jìn)行分類闡述，最后說明了該技術(shù)目前的研究現(xiàn)狀以及在當(dāng)前研究熱點(diǎn)下對(duì)該問題的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【Abstract】With the development of science and technology and the constant change of times， wireless charging has become the research hotspot of the enterprises and universities.Traditional electronic devices need to carry a variety of charging equipment， which brings a lot of inconvenience for people's lives. Firstly， the basic principle of magnetic coupled resonance wireless charging is introduced. Secondly， the wireless transmission of magnetic coupling resonance is classified. At last， the current research status of this technology， and prospects the development trend of this problem under the current research hotspot.

【關(guān)鍵詞】無線充電技術(shù)；磁耦合共振；線圈

【Keywords】 wireless charging technology； magnetic coupling resonance； coil

【中圖分類號(hào)】TM724 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）05-0131-02

1 引言

談?wù)摕o線充電技術(shù)的源頭就不得不說一下它的鼻祖磁與電，我們知道從安培開始發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)，就意味著無線充電技術(shù)發(fā)展的可能性。隨后，一些關(guān)于電磁學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)也逐步產(chǎn)生，比如：電磁感應(yīng)現(xiàn)象、電磁場(chǎng)方程、電磁輻射、微波輻射原理等。隨著人們對(duì)無限充電需求越來越膨脹，科學(xué)家們從來沒有停止對(duì)它的探索。在距離現(xiàn)在一百八十年前，無線充電的概念首次被提出，在此之后，奧斯特、法拉第、特斯拉和馬可尼等世界著名的科學(xué)家都先后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了潛心的研究。[1]在1893年的哥倫比亞世博會(huì)上，一位美國科學(xué)家Nikola Tesla和人們展示了他的無線照明燈。這位Nikola Tesla就是利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導(dǎo)線連接下就點(diǎn)亮了一個(gè)燈泡。2007年美國麻省理工的教授Matin等人隔空點(diǎn)亮了一盞功率為60W的燈，而這盞燈距離電源有2米，且效率還達(dá)到了40%，在這之后世界各地越來越多的研究人員開始了無線充電的研究。

隨著科技和社會(huì)不斷的進(jìn)步，無線充電有望為世界各地的人帶來更多方便與自由。目前無線充電主要包括了四個(gè)形式：電磁感應(yīng)方式、電場(chǎng)耦合方式、磁諧振方式和電波接收方式。對(duì)四種無線充電技術(shù)進(jìn)行一個(gè)對(duì)比，電磁感應(yīng)充電的有效距離太小，且充電效率太低，而磁諧振充電的距離、傳輸效率較高，所以這是無線充電技術(shù)的發(fā)展方向。[2]目前世界上受到關(guān)注最多的是磁場(chǎng)耦合式，使用電源側(cè)的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而使磁場(chǎng)耦合到負(fù)載側(cè)的線圈上，來進(jìn)行能量的傳輸，而這其中又可以根據(jù)是否發(fā)生了諧振分為感應(yīng)式和諧振式。

本文將針對(duì)目前研究的最為熱的MCR-WPT進(jìn)行研究與進(jìn)展的綜述。從MAC-WPT的傳輸理論出發(fā)，具體說明目前國內(nèi)外針對(duì)MCR-WPT的研究現(xiàn)狀以及熱點(diǎn)問題。最后在已有的研究理論上，簡(jiǎn)略討論了其中還待研究的問題和發(fā)展趨勢(shì)。

2 基本結(jié)構(gòu)以及原理

MAC-WPT的線圈工作模式主要有2種類型，第一種是2線圈的第二種是4線圈的。利用2個(gè)諧振線圈來進(jìn)行無線能量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，被稱為MCR-WPT的2線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，為了進(jìn)行電源的匹配和負(fù)載匹配，在文獻(xiàn)[3]中在2個(gè)線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，又增加了2個(gè)感應(yīng)線圈，自此電源線圈就與發(fā)射線圈隔離，而負(fù)載線圈則與接收線圈隔開。這是MAC-WPT的四線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圖如圖1所示。

電磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)電路模型借助兩個(gè)共振線圈進(jìn)行能量無線傳輸。模型如圖 1a所示，圖中，輸入電壓源電壓為 Uin，耦合共振線圈L1和L2，在高頻磁場(chǎng)下的電阻為R1 和 RL，產(chǎn)生的電容分別 C1和C2； RL為負(fù)載。若傳輸系統(tǒng)的角頻率為ω，則初級(jí)，次級(jí)的阻抗為Z1，Z2。電磁耦合共振式無線充電系統(tǒng)電路模型借助四個(gè)共振線圈進(jìn)行能量無線傳輸。模型如圖1b所示，圖中輸入電壓由Rsource和Vsource組成。耦合線圈圖L1，L2，L3和L4，其中線圈之間的耦合系數(shù)為K12，K23，K34為了方便起見接下來我們將忽略線圈之間的交叉耦合。各個(gè)線圈在磁場(chǎng)下的電阻為Rp1，Rp2，Rp3，Rp4。所產(chǎn)生的電容為C1，C2，C3，C4。Rload為負(fù)載。

為了能夠更高效地傳輸能量，發(fā)射線圈和接收線圈的自諧振頻率都設(shè)置為同一個(gè)頻率使之共振，即為系統(tǒng)的諧振頻率。文中所說的四線圈結(jié)構(gòu)相比于兩線圈結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)就在于能夠進(jìn)行電源和負(fù)載的匹配，所以可以在很大程度上抵消掉一部分電源和負(fù)載對(duì)線圈的影響。

3 無線充電的應(yīng)用

MCR-WPT技術(shù)既面臨了很多挑戰(zhàn)但又得到了廣泛和深入的研究。目前應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)中的MCR-WPT，主要包括植入醫(yī)療器械如無線充電在心臟起搏器中的應(yīng)用，以及電動(dòng)汽車充電等。再比如已經(jīng)應(yīng)用到小家電領(lǐng)域的無線充電技術(shù)，如：電動(dòng)剃須刀、電動(dòng)牙刷等；還有一些便攜式電子產(chǎn)品：手機(jī)、電子書、筆記本電腦、電子手表等。

4 無線充電的發(fā)展以及還待研究的問題

無線充電技術(shù)雖然得到了一定的發(fā)展但在發(fā)展過程中仍舊存在一些棘手的技術(shù)問題。第一，充電效能不高。一旦距離稍微遠(yuǎn)了一點(diǎn)充電的效率就會(huì)急劇降低，這需要浪費(fèi)大量的時(shí)間和資源才能完成充電，故而使用意義不大。第二，充電過程中的安全問題。大功率的無線充電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的電磁輻射，對(duì)身體健康造成一定的不良影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)飛機(jī)、通信等產(chǎn)生干擾影響。第三，實(shí)用性方面。目前的無線充電技術(shù)還是只能需要固定在某個(gè)定點(diǎn)的位置才能實(shí)現(xiàn)，這并不方便故而實(shí)用性不高。第四，價(jià)格昂貴，由于無線充電技術(shù)目前還只是處于初步研發(fā)應(yīng)用階段，研究的成本較高，所以其研發(fā)的產(chǎn)品價(jià)格也相對(duì)高昂。

5 總結(jié)

本文分析了目前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展情況。綜述了當(dāng)前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的兩種結(jié)構(gòu)以及原理和無線充電在實(shí)際應(yīng)用中遇到的一些問題等。并且在這些熱點(diǎn)問題分析的基礎(chǔ)之上，討論了該項(xiàng)技術(shù)有待研究的問題以及發(fā)展趨勢(shì)。無線充電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展是充電技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。我們終于實(shí)現(xiàn)了不需要電源線，就能隨時(shí)隨地自由方便充電的夢(mèng)想?？梢钥吹?，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)正在得到深入研究。隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)張，以及我們的不斷探索，相信無線充電技術(shù)將會(huì)迎來新一輪的發(fā)展與進(jìn)步，在可預(yù)見的未來，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)有一個(gè)廣泛的應(yīng)用，并且將帶動(dòng)更長(zhǎng)距離、更大功率的無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】盧秋朋，張清鵬，秦潤杰.傳輸線中趨膚效應(yīng)的介紹及仿真[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015（06）：56.

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【3】陳新，張桂香.電磁感應(yīng)無線充電的聯(lián)合仿真研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014（04）：45.