耦合谐振式无线供电系统研究

林新　王春

【摘 要】近年来随着无线供电技术迅速发展，耦合谐振供电技术也取得了飞速的进步。其作为一种新技术受到广泛关注的同时也取得了巨大的发展，其由最初的理论研究也转为生产或生活的实际应用。针对目前使用的耦合谐振系统，在其基础上加入中继谐振线圈来实现传输距离和效率的提高。理论上解决原有耦合谐振系统传输距离和传输效率较低的问题。

【关键词】无线供电；耦合谐振；中继谐振线圈；传输距离；传输效率

0 引言

无线供电系统作为一种新型供电系统，在安全快捷性能上与传统的有线输电系统比较具有显著优势，而在无线供电方式中由于耦合谐振供电技术能够实现中等传输距离以及高效率传输，因此在安全性和可靠性等方面比其他传输方式更有优势。研究表明发射线圈和接收线圈直径的增大，可以有效提高传输距离，但大尺寸线圈又容易受到环境的限制；虽然减少发射端和接收端的负载能够提高传输距离，但增加线圈电流强度的同时使得电感线圈的功率增大，使得传输效率变低。而使用高无载Q值的线圈谐振器虽然能够降低线圈损耗来弥补自身效率较低的情况，但是相应的成本又较高。本文通过分析来验证添加设计的无源中继谐振线圈可以有效降低负载以及线圈的能量消耗。使得各模块在系统运行过程中消耗少量的系统能量，实现提高无线供电系统传输距离和效率的目的。

1 无线供电系统的原理及特点

1.1 无线供电基本原理

无线供电系统从基础原理来说，其源自于1889年由物理学家尼古拉.特斯拉提出的无线电力传输技术。目前发展的无线供电技术从技术层面上分析一般有两种拓扑结构，其一是利用2个线圈进行无线电能传输，称为两线圈结构；另一种为了满足电源的匹配以及实现相应系统的负载匹配，在原有的2个谐振线圈基础上添加2个感应线圈，使电源和发射线圈以及负载与接收线圈有效隔离，我们称这种结构为四线圈结构。

1.2 无线供电系统特点

耦合谐振供电系统其技术可追溯到美国麻省理工大学（MIT）的科学家在2007年首次提出的磁耦合谐振技术，其基本原理是利用两个具有相同本征频率的谐振线圈，在一定的距离条件下，通过在本征频率处耦合谐振，达到电能传递的目的。近年来无线供电技术被广泛利用，但目前来看，无线供电技术尚未成熟还处于初级阶段，很多问题有待解决，而目前开发出来的无线供电系统的传输距离和功率都较低，如何提高无线供电系统的传输距离和功率成为现在无线电能传输技术的一个瓶颈。

2 整体设计方案

本文研究的无线供电系统使用的中继线圈是在传统两线圈式无线供电系统上，在发射和接收线圈中间加入一个尺寸、参数与发射和接收线圈完全一样的中继线圈，其位置位于发射线圈和接收线圈中间，同时三线圈的高度满足同轴平行。加入的中继线圈上需要接有谐振电容，以便保证中继线圈谐振频率与发射和接收线圈保持一致，满足发射-中继-接收三个线圈处在相同的状态实现谐振耦合。中继线圈上的寄生电阻在系统运行过程中损耗少量能量，可以忽略不计。中继线圈的作用是将发射线圈发出的变化的磁场耦合到中继线圈上，然后中继线圈与接收线圈之间再次耦合，将电能传递到接收线圈，实现电能从发射端到接收端的传输。最后由接收端的整流与调整模块接收并且提供给负载使用。

由耦合谐振供电系统原理可知设计要求发射线圈，中继线圈以及接收线圈必须本征频率相同才能达到最大传输效率。同时要使得电磁能量高效率的传输到接收线圈，合理的设计各无线供电模块以及优化各项数据也可使得系统传输距离和效率有效稳定提高，其原理与作用也可以由前文提到的两种拓扑结构得到。

3 无线供电系统结构分析

在基础的无线供电系统中分析线圈的拓扑结构，从增加线圈的角度出发，通过增加一个线圈的方法，来研究和设计其传输和效率问题。从量子力学的电磁理论上分析出磁场能量传输按照曲线路径传输，而不是跟没有中继谐振线圈的无线供电系统那样直线传输，其曲线传输有利于接收线圈接收磁场能，因此可以得到增加一个线圈可以有效的提高传输距离和效率。当接收线圈存在偏移现象时，我们可以通过调整中继线圈的方向或者改变它的参数等来使得传输效率增加。传统的两线圈式无线供电系统在电能的传输距离和效率上都相对不高，而增加一个中继谐振线圈在保持电能传输的同时还可相对的提高传输距离和传输效率。其等效电路模型如图1所示：

如图所示图中L1，L2，L3分别是发射线圈，中继谐振线圈以及接收线圈的电感量，C1，C2，C3为发射线圈，中继线圈以及接收线圈的谐振电容。那么其谐振时电感电容应该满足公式W=1=1=1，其中？棕0为原来的系统谐振频率，k1为发射和中继线圈的耦合系数，k2为接收和中继线圈的耦合系数，当使用一个中继谐振线圈时，其在效率峰值处的频率为根据公式原理可以在系统原有线圈发生偏移时对其中继线圈的数据进行研究和设定，得到中继线圈的最优线圈距离和偏转角度，使得系统重新实现高效率的电能传输。

4 系统软件设计

通过matlab仿真可以得到距离，频率，以及效率等各数据之间的关系，通过图像比对进行比较加入中继谐振线圈和没加入中继谐振线圈的无线供电系统其传输效率和传输距离之间的差别，得到加入中继谐振线圈的无线供电系统比没加入中继线圈的系统在传输距离和效率上有顯著提高。

5 结语

本文从耦合谐振无线供电系统的定义以及结构出发，通过对加入中继谐振线圈的无线供电系统基本结构和工作原理的阐释，得到加入中继谐振线圈可以有效率提高传输距离和效率。

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[责任编辑：田吉捷]