低频小尺寸高效无线电能传输系统研究

董 燕，余 亮，李 琳，梁 齐

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥230009）

著名物理学家赫兹发现电磁波后不久，美籍电气学家尼古拉·特斯拉便提出利用电磁波携带能量实现无线电能传输的构想[1]。与传统的用导线进行电力传输方式相比，无线电能传输实现了电源与用电负载间完全的电气隔离，不仅克服输电导线带来的空间限制、不易维护等问题，更可避免接触放电等安全隐患，具有安全、可靠、灵活等无可比拟的优点[2]。经过多年的研究发展，电能无线传输延伸出几种不同的传输方式：微波、无线电波、激光、超声波、电磁感应、谐振耦合，这几种传输模式各有优势和不足[3-4]。电磁感应式是过去20年来无线电能传输的主流，已有一些商业化产品面世，但其传输距离过短制约了它在更广阔范围的应用。

谐振耦合模式由MIT的M.Soljacic团队提出，并通过了实验验证，实现了2 m、60 W的传输效果[5]，这表明该模式具有独特优点，奠定了无线电能传输技术在汽车充电、物联网传感器及医疗植入物供电等广泛领域的实用化基础，引发了近年来谐振耦合式无线传输技术的研究热潮。

目前，如何提高电能传输效率已成为研发实用化、低频、小体积谐振耦合无线电能传输装置的关键课题。耦合模理论(Coupling Mode Theory)表明，采用高无载 Q值线圈可明显提高谐振系统在低频下的传输效率，促使超导谐振耦合系统设想的产生，但其高昂的成本不容忽视[6]。参考文献[7]则提出采用阻抗变换电路改变负载等效阻抗的方法以提高系统的传输效率。PINTO[8]、TAK[9]和HUNTER[10]等人发现，采用不同模型，谐振耦合系统的能量传输效率均受谐振体距离和相对角度等谐振结构参数的影响，在一定结构条件下存在效率极值，这说明可通过优化设计谐振结构来有效提高传输效率。例如，罗斌等人最近便采用单中继线圈显著增大了小信号、低频率RLC串联谐振系统的能量传输距离，且发现系统的传输效率和负载功率对中继线圈的横向偏移和角度倾斜变化不敏感。实验还发现，线圈匝数与传输效率成负相关，而线圈半径的增大对传输效率产生先提升后抑制的影响[11]。另外，串/并联混合谐振电路、自适应频率调节等方法也被预期可用于提升或保持系统的最佳传输效率。

本文通过实验探索了多负载线圈、单中继线圈、隔磁材料贴附对谐振耦合无线电能传输系统能量传输效率的影响。

1 多接收线圈结构对传输效率的影响

目前谐振耦合式无线电能传输系统多为单负载线圈结构。由于发射线圈发射磁场并无完全的单向性，在以其为中心的球形空间内均有一定程度的磁场分布，单线圈负载显然无法接收整个磁场能量。采用多负载线圈结构理论上可提高磁场能量接收率，从而有望提升系统传输效率。

图1给出了本文实验研究的单负载谐振结构和双负载谐振结构的示意图。其中单负载结构只有接收端1位于发射端的右端，双负载结构的两个接收端1与接收端2分别位于发射线圈轴线的两个方向。

图1 单、双接收线圈谐振系统结构示意图

实验发现系统传输效率随传输距离的增加呈现先增大后减小的演变行为。单负载系统和双负载系统均在4 cm附近达到最大传输效率，小幅偏离最佳传输距离即可引起传输效率的快速下降，该结果同PINTO等人的理论研究结果一致[8-9]。极值两侧传输效率的对数值同传输距离近似成线形关系，此关系在图2中体现得更为明显。4 cm处系统最大传输效率从14.35%增加到45.7%。以上结果表明，通过增加接收线圈数量确实可提高发射磁场能量的利用率，提高系统的传输效率。值得指出的是，实际应用中还应考虑到多接收端对发射能量的分散作用，因此接收端的个数应视接收电压而定，以保证接收端电压可驱动负载。

图2 双接收线圈结构系统传输效率

2 中继线圈对传输效率的影响

HAMAM[12]和 RANGELOV[13]等人均从理论上提出附加中继线圈可改善谐振耦合无线电能传输系统的性能。图3是在发射线圈和接收线圈间同轴附加中继线圈的谐振耦合系统的示意图。为保证系统的谐振性，中继线圈谐振频率与系统固有谐振频率相同。

图3 附加中继线圈谐振耦合系统

实验发现，中继线圈与发射线圈间距离d对系统传输效率影响明显。随着中继线圈远离发射线圈，系统传输效率先后经历缓慢增加、快速增加和快速下降(直至平稳)的过程，而最大传输效率对应的中继线圈-发射线圈距离do则与传输距离l有关。

此外还注意到，中继线圈应在发射线圈与接收线圈发生谐振后放置，否则，中继线圈对系统传输效率的提升作用便不明显，这与RANGLOV等人的理论分析结果一致[13]。

进一步的实验表明，附加中继线圈亦可明显提高谐振耦合系统的传输效率，如图4所示，且在较远距离下中继线圈对效率的提升更加明显，这与反射阻抗随中继距离变小而增大有关。其中中继线圈均放置在各传输距离对应的最佳位置处。由此可见中级线圈可起到增强磁场能量汇聚的作用。随着传输距离的增加，无论是否附加中继线圈，系统传输效率均逐渐减小。

图4 中继线圈对传输效率的影响

一般而言，线圈发射磁场的能量主要集中在以线圈轴线为轴、线圈面为顶面、发射角为θ的锥台空间内。当传输距离较小时，接收线圈即可覆盖整个发射角，从而实现高的传输效率，此时附加中继线圈所起到的能量汇聚作用对提高系统传输效率意义不大；增大传输距离时，传输线圈所覆盖的发射角逐渐减小，因而传输效率逐渐下降，此时附加中继线圈所产生的磁场能量汇聚作用可等价于减小传输距离，因而可有效提高系统的传输效率；若传输距离继续增加到远场，接收线圈覆盖发射角很小，导致传输效率极小，即使附加中继线圈，由于线圈间距离大，传输效率提升效果有限。此时可考虑适当增加中继线圈数量，但由于中继线圈存在能量损耗，不能无限增加，所以中级线圈数量应存在最佳值。

3 隔磁材料对传输效率的影响

图5给出了不同厚度的锰锌铁氧体隔磁片对传输效率的影响曲线。本实验发现，隔磁片贴附在接收端可提升传输效率，而贴附在发射端系统时传输效率反而有所降低，可见由于隔磁片的磁场屏蔽和能量吸收作用，发射线圈贴覆隔磁片能降低系统传输效率，其机制有待进一步研究。实验亦表明，隔磁材料对谐振耦合系统电能传输效率的调节能力与隔磁材料的磁导率亦存在关联，磁导率越高，调节能力越强，实验中采用的硬的铁氧体隔磁片磁导率为 125，软的磁导率为45(在 1 MHz下的值)。从图5中可以看出，高磁导率的隔磁片对效率的提升作用大于低磁导率。

图5 隔磁材料对传输效率的影响

图6 综合系统效率与原效率对比

4 综合系统

从上面的实验结果可知，添加多接收端、中继线圈与隔磁片这3种方法都可以在一定程度上增加无线电能的传输效率。由图6可知，构建综合系统，在系统中同时应用上述方法，在传输距离l=5 cm时系统的传输效率从原来的25.85%提高到了85.4%。

本实验研究了多接收线圈、中继线圈和隔磁片在提高低频小线圈谐振耦合无线电能传输系统传输效率中的作用规律。研究发现，以上方法均可提高谐振耦合系统电能传输效率，其中多接收线圈和中继线圈两种方法的提升效果更加显著。中继线圈结构可使双线圈系统在较宽的传输距离范围内保持较高的传输效率。最后搭建了综合系统，应用上述方法，系统总的传输效率与原始系统相比得到了明显的提升。

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