磁共振無線充電技術(shù)功率傳輸效率提高方法綜述

徐 棟，王冬青

（1.青島大學 自動化學院，青島 266071；2.青島大學 電氣工程學院，青島 266071）

0 引言

無線充電技術(shù)是近年來研究的熱點，它使用戶能夠像通過空氣傳輸數(shù)據(jù)一樣方便地對移動設(shè)備進行充電。無線充電技術(shù)的發(fā)展消除了電力傳輸對物理導體的依賴，從而大幅度減少其產(chǎn)生的大量電子廢物[1～3]。

目前，無線充電技術(shù)主要分為遠場和近場兩種。遠場技術(shù)是利用電磁波或無線電頻率廣播進行傳播，其傳輸能量的方式與無線電傳輸信號的方式相同[4]。遠場技術(shù)允許在大范圍內(nèi)進行傳輸功率，但它有幾個局限性，如傳輸功率和效率低以及會對周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。

近場技術(shù)主要分為感應耦合技術(shù)和磁共振技術(shù)。感應耦合技術(shù)的工作距離通常小于發(fā)射信號的波長，但由于發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合不足，因此具有傳輸范圍小的限制（約幾厘米）[2]。

磁共振無線充電技術(shù)比傳統(tǒng)的感應耦合技術(shù)更高效，可以在更長的范圍內(nèi)進行功率的傳輸。磁共振無線充電技術(shù)最初是基于耦合模理論提出的，耦合模理論證明了磁共振技術(shù)可以在大耦合距離下提高功率傳輸效率[5]。磁共振無線充電系統(tǒng)在小型無線電源、非接觸式充電電動汽車、醫(yī)療保健設(shè)備和工業(yè)自動化系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[6]。但在此類應用中，接收裝置相對于發(fā)射裝置的范圍和方向會在用戶使用過程中不斷變化[2]，這導致功率傳輸效率不能始終保持最大值。為了滿足磁共振無線充電系統(tǒng)對功率傳輸效率的要求，本文主要從自動頻率調(diào)諧、阻抗匹配、線圈配置等幾個方向進行分析，對提高功率傳輸效率的方法進行總結(jié)。

1 系統(tǒng)概述

圖1為磁共振無線充電系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端包括交流電源、整流器、DC/DC升壓變換器、逆變器、補償網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射線圈，接收端由接收線圈、補償網(wǎng)絡(luò)、整流器和負載組成。在發(fā)射端，交流電源通過整流器整流成直流；DC/DC升壓變換器增加直流電源的電壓；逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源，為補償網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射線圈提供電能。為了最大限度地提高功率傳輸效率，需要對接收端的補償網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)諧，使其具有與發(fā)射端相同的諧振頻率，從而在發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生共振。然后接收線圈通過兩個線圈之間的相互耦合的電感從發(fā)射線圈接收電能。最后電能經(jīng)過整流電路對負載或設(shè)備進行充電。

2 功率傳輸效率的提高方法

圖1 磁共振WPT系統(tǒng)示意圖

對于兩線圈磁共振無線充電系統(tǒng)，功率傳輸效率受線圈間耦合系數(shù)、線圈品質(zhì)因數(shù)、工作頻率、負載等因素的影響[3]。

2.1 阻抗匹配

對于雙線圈磁共振無線充電系統(tǒng)，由于線圈間具有漏感，實際負載值并不總是等于理想值，因此需要設(shè)計阻抗匹配電路以匹配實際負載和理想負載之間的阻抗[7]，使系統(tǒng)獲得最大的功率傳輸效率。在發(fā)射端采用阻抗匹配技術(shù)可以實現(xiàn)輸入電壓和輸入電流的零相位角，不需要電源提供無功功率，即電源的視在功率等于有功功率。在接收端，通過阻抗匹配技術(shù)可以使其具有與發(fā)射端相同的諧振頻率，從而最大限度地提高功率傳輸效率。此外，阻抗匹配技術(shù)可以實現(xiàn)功率晶體管的軟開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗。阻抗匹配技術(shù)的另一個優(yōu)點是實現(xiàn)恒流或恒壓充電，即輸入電壓值固定時，輸出的直流電流或直流電壓固定。

阻抗匹配電路具有多種拓撲結(jié)構(gòu)，采用線性負載分析或數(shù)值分析方法可以方便地設(shè)計電路參數(shù)。圖2為阻抗匹配電路的四種基本補償拓撲，即SS、SP、PS和PP。其中，“S”或“P”分別代表補償電容和線圈之間串聯(lián)或并聯(lián)。

圖2 四種基本補償拓撲

文獻[8]研究了四種基本補償拓撲，他們證明了PS和PP補償拓撲中的發(fā)射端補償電容Ct與線性負載有關(guān)。在這種情況下，當線性負載值變化時，發(fā)射端電容Ct必須重新設(shè)計才能保證得到最大的功率傳輸效率。而在SS和SP補償拓撲中，發(fā)射電容Ct是獨立于線性負載的。因此，SS和SP補償拓撲更適合于可變線性負載條件。

圖3 雙邊LCC補償拓撲

密歇根大學的研究人員[9]提出了一種新的阻抗匹配技術(shù)——雙邊LCC補償拓撲。與SS補償拓撲相比，雙邊LCC補償拓撲引入了兩個補償線圈來補償耦合線圈所產(chǎn)生的消耗。如圖3所示，補償線圈L1與接收端的電容C1共振，Lr和Cr結(jié)合起來與C2產(chǎn)生共振，因此共振頻率與負載條件和耦合系數(shù)無關(guān)。由于雙邊補償拓撲的對稱性，在接收端L2與C2發(fā)生共振，Lt和Ct與C1發(fā)生共振。雙面LCC補償拓撲保證了系統(tǒng)的共振振頻率與負載條件和線圈間耦合系數(shù)無關(guān)。因此，當Us固定時，輸出功率是恒定的。文獻[10]將補償線圈集成到雙線圈系統(tǒng)中，可以提供6KW的負載功率，在150mm的工作范圍內(nèi)達到95%以上的功率傳輸效率。文獻[11]使用基于LCL-T的阻抗匹配電路，使得穩(wěn)態(tài)輸出電流與負載無關(guān)。文獻[12]提出了一種新型的S-CLC補償拓撲，它由一個補償電感和三個補償電容組成，允許恒壓輸出和零相位切換。盡管補償方法多種多樣，但很少有人考慮非線性整流負載的補償方法。在許多應用中，如電動汽車和手機無線充電，無線充電系統(tǒng)的輸出電路總是使用整流電路將高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電，因此會使在電路中引入非線性元素。對于非線性整流負載，阻抗匹配設(shè)計比線性負載更為復雜。整流負載的等效阻抗值不僅受其參數(shù)的影響，而且受前置阻抗匹配電路的影響，不能簡單地簡化為線性阻抗[3]。因此，在整流負載下，接收線圈阻抗匹配電路參數(shù)的設(shè)計比較困難。文獻[3]推導了基于基本元件的整流器負載等效阻抗計算方法，以實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的最大功率傳輸效率。

2.2 共振頻率自動跟蹤方法

磁共振無線充電系統(tǒng)存在兩種共振頻率，一種為系統(tǒng)固有的諧振頻率，它與線圈及補償電容的參數(shù)有關(guān)；另外一種為兩個線圈相互耦合作用下的共振頻率，它與線圈間的耦合強度有關(guān)。通過將系統(tǒng)的工作頻率調(diào)整至系統(tǒng)固有諧振頻率或線圈耦合作用下的共振頻率，可以提高無線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率。文獻[13]給出了一種自動跟蹤系統(tǒng)固有諧振頻率的方法，該方法可以在固定工作頻率下提高無線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率。然而，該方法的實現(xiàn)要求發(fā)射端和接收端的電路參數(shù)準確，而且需要兩端的固有諧振頻率保持一致。調(diào)整系統(tǒng)共振頻率以實現(xiàn)輸入電壓和電流的零相位角或?qū)崿F(xiàn)最小反射系數(shù)，也可以提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。在文獻[14]中，通過推導輸入電壓和電流零相位角頻率的計算公式，提出了一種自動跟蹤共振頻率來提高系統(tǒng)功率傳輸效率的方法。然而，這些方法需要獲得關(guān)于發(fā)射線圈和接收線圈之間耦合系數(shù)的信息，增加了實際應用的難度。

2.3 提高線圈間耦合系數(shù)

當發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)越大時，無線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率就越大。因此，可以通過增強線圈間的耦合系數(shù)開提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。

耦合系數(shù)是關(guān)于兩個線圈之間的互感強度的函數(shù)，它與線圈間的互感強度成正比。而線圈間的互感強度與線圈所包圍的磁通量成正比。線圈所圍成的區(qū)域越大則通過線圈的磁通量就越大，因此線圈間的互感強度與線圈幾何形狀有關(guān)。另外，互感強度也與線圈所處的磁場強度的影響。因此，為了增強線圈之間的耦合系數(shù)，可以對線圈的幾何形狀和磁場強度進行研究。

通常，耦合系數(shù)與相互作用線圈的幾何形狀直接相關(guān)，這意味著可以通過使用更大的線圈來增強兩個線圈之間的耦合。但是在實際應用中往往會由于空間等原因限制線圈的尺寸。因此，線圈設(shè)計研究的重點通常是通過選擇適當數(shù)量的線圈匝數(shù)、匝間距和匝間寬度，來最大化給定幾何形狀的線圈的導體長度。

增強磁場強度是一種被廣泛應用于短距離無線充電系統(tǒng)的提高耦合系數(shù)的方法。典型的技術(shù)包括使用鐵氧體材料來改變發(fā)射線圈中激勵磁場的分布。鐵氧體通常具有高磁導率和相對低的渦流損耗，可將激勵磁場定向到預期的耦合方向。因此，無線充電系統(tǒng)的線圈大多應用鐵氧體磁芯發(fā)射線圈，鐵氧體板和鐵氧體片接收線圈[15,16]。

除此之外，由于激勵磁場的強度隨距離的增加而減小，線圈間的耦合系數(shù)還與線圈間的距離有關(guān)。因此，磁共振無線充電系統(tǒng)的耦合系數(shù)的提高需要考慮線圈之間的距離和磁場強度的組合影響，才能更好地提高系統(tǒng)在長工作距離下的功率傳輸效率。

2.4 提高線圈的品質(zhì)因數(shù)

磁共振無線充電系統(tǒng)存在一個臨界耦合點，當耦合系數(shù)大于臨界耦合點時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)最大功率傳輸效率，且功率傳輸效率接近恒定不變。而當耦合系數(shù)小于臨界耦合點時，隨著耦合系數(shù)地減小，功率傳輸效率急劇下降。因此，盡可能地最小化臨界耦合點可以提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。臨界耦合點與線圈的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，線圈品質(zhì)因數(shù)越高，臨界耦合點越小，提高線圈的品質(zhì)因數(shù)可以增大系統(tǒng)的工作范圍并實現(xiàn)接近恒定的最大傳輸效率。

品質(zhì)因數(shù)表示線圈的電抗部分與線圈本身的電阻部分的比率，其描述了線圈中的峰值能量與每個周期的能量消耗之間的關(guān)系。因此，可以使用具有高電抗比的線圈設(shè)計來實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)線圈。通常，增加線圈品質(zhì)因數(shù)的方法是增加線圈的電感，同時限制寄生電容以實現(xiàn)高線圈電抗，并使用高導電材料制造線圈以減少線圈的線圈電阻。

實現(xiàn)高線圈電抗的方法是設(shè)計具有合適匝數(shù)，導體直徑和匝間空間的線圈。通常，線圈匝間的間隔緊密、線圈導體的直徑小可以增加線圈自感。文獻[17]中提出使用雙匝布局，可以增加平面線圈上的匝數(shù)。通過使用利茲線等低阻線圈材料[17]可以使線圈電阻減小，從而增大線圈品質(zhì)因數(shù)。

3 結(jié)語

本文通過對磁共振無線充電系統(tǒng)模型的分析，介紹了使用阻抗匹配技術(shù)實現(xiàn)零相位角，應用共振頻率自動跟蹤方法來找到系統(tǒng)共振頻率，提高線圈間的耦合系數(shù)以及最大化線圈的品質(zhì)因數(shù)，可以改善系統(tǒng)的工作范圍并提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。

磁共振無線充電技術(shù)在功率傳輸效率方面的改進，將是其能否消除可充電設(shè)備對物理導體的需求以及提高電子設(shè)備移動性的決定性因素。對于非線性整流負載的阻抗匹配設(shè)計的研究、利用最少的接收端和發(fā)射端耦合信息來實現(xiàn)共振頻率的自動跟蹤、綜合線圈間距離以及線圈間耦合強度對提高線圈間耦合系數(shù)的方法進行研究、以及充分考慮線圈的幾何形狀和材料等因素實現(xiàn)線圈高品質(zhì)因數(shù)，是提高磁共振無線充電系統(tǒng)功率傳輸效率有效的方法，將會進一步推進磁共振無線充電系統(tǒng)的實用化發(fā)展。