磁耦合谐振串串式无线电能传输研究

刘志峰，刘瑞，黄海鸿，徐国浩

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009）

摘要：磁耦合谐振式无线电能传输技术作为一种新兴无线能量传输技术，具有传输距离远、传输功率大、传输效率高、无辐射性和穿透性等优点。基于等效电路模型建立了磁耦合谐振式无线输电串串式拓扑模型，给出了输出功率、传输效率的计算方法，搭建了磁耦合谐振式无线电能传输试验平台，通过仿真与实验，分析了线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振对输出功率、传输效率的作用规律，为磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计及参数优化提供了理论依据。

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关键词 ：无线电能传输；磁耦合谐振；串串式模型；输出功率；传输效率

中图分类号：TN751.1+2?34；TM724 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）17?0127?06

0 引言

自从第二次工业革命以来，人类社会便进入了电气化时代。大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过点对点直接接触传输。这种传统的接触式电能传输由于存在诸如产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，同时传统的电能传输供电产生大量的废旧电池，对环境造成很大的污染[1]。因此探求一种更为灵活、方便的电能传输方式迫在眉睫，多年来国内外的科学家开展了很多探索研究工作，但进展缓慢。2007年，美国麻省理工学院（MIT）基于磁耦合谐振原理在2 m 的距离内将一个60 W 的灯泡点亮，传输效率[2]达40%。随后，磁耦合谐振式无线电能传输技术成为国内外学者研究的热点。

无线电能传输系统的主要性能指标在于系统的传输距离、传输功率、效率等。目前国内外对磁耦合谐振式无线电能传输的研究还处于理论研究和初步实验阶段，MIT 的分析也局限在物理方面的分析[3]。在传输距离、效率方面，Steven 等人研究了中继线圈对提高传输距离的效果及其理论分析[4]；李阳等研究了发射、接收线圈的匝数及线圈半径的大小对传输效率和传输距离的影响[5]；朱春波等通过仿真和实验研究了不同的工作频率和传输距离、传输效率的关系[6]。这些研究成果的应用较大地提高了无线传输的距离及效率，但目前还没有针对每一个特定负载系统，分析如何选择各个影响因素，保证无线传输系统有较好的输出功率、传输效率。

本文基于等效电路模型，建立磁耦合谐振式无线电能传输串串式拓扑模型，给出输出功率、传输效率的计算方法，搭建磁耦合谐振式无线电能传输试验平台，通过仿真与实验相结合，分析线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振对输出功率、传输效率的作用规律。针对每一个特定负载的无线电能传输系统，选择合适的传输特性因素，保证系统有较好的输出功率、传输效率。这些为提高无线电能输出功率、传输效率提供了参考和借鉴，也为磁耦合谐振式无线电能传输系统的产品应用提供了设计依据。

1 无线电能传输系统模型

1.1 无线电能传输系统工作原理

典型的磁耦合谐振式无线电能传输系统原理如图1所示，直流电源经过交流逆变后由发射线圈进行电磁变换，接收线圈感应到此磁场能量后进行磁电变换，变换后的电能经过整流滤波稳压供一般直流负载使用。

实验标准值与仿真标准值存在一定差别：一方面由于在近距离情况下M ≈ πμ0 r4 N 2D3，误差较大；另一方面由于在高频情况下，绕制线圈导线会产生一定的趋肤效应，从而减小导线有效面积，增加等效电阻，影响能量传输。

5 结语

（1）本文从等效电路模型角度出发，建立磁耦合谐振式无线电能传输串串式拓扑模型，给出输出功率、传输效率的计算方法，系统分析了输出功率、传输效率与线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振之间的关系；

（2）通过实验与仿真分析表明，在保证系统谐振的前提下，输出功率、传输效率与频率、负载电阻及线圈间距密切相关，且输出功率随频率、线圈间距变化较为明显，针对每一个特定负载系统，需选择适合该系统的工作频率，保证系统有较好的输出功率、传输效率；

（3）本文系统阐述了各个因素对输出功率、传输效率的作用规律，在实际工程应用中，综合选择各个参数，使系统有最佳的输出功率、传输效率。