谐振式无线电能传输系统的研究

鲁东兴 赵莹 张文哲

摘  要：无线输电技术，即不使用导线作为介质而实现将电能从供电端输送到用电端过程的技术，这在医疗、电气工程和军事等方面有很关键的作用。文章基于无线电力传输原理，研究磁耦合谐振式无线电能传输技术，在Matlab仿真软件中对磁耦合机构进行仿真从而分析其特性。

关键词：磁耦合谐振;无线电能传输;仿真

中图分类号：TM724 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）30-0044-03

Abstract： Wireless transmission technology， that is， the technology of transmitting electric energy from the power supply end to the electricity terminal without using the wire as the medium， which plays a key role in medical， electrical engineering and military affairs. Based on the principle of wireless power transmission， this paper studies the magnetic coupling resonant radio energy transmission technology， and simulates the magnetic coupling mechanism in Matlab simulation software to analyze its characteristics.

Keywords： magnetic coupling resonance; radio energy transmission; simulation

1 背景

无线电能传输（WPT）近年来得到了广泛的应用，其研究的主要目的是尽可能多地传输功率，尽管线圈之间的互感系数较低，但系统效率较高。目前主流的无线输电方式是通过射频微波辐射、强磁场电磁感应和弱磁场谐振磁耦合三种技术将电能转换为其他能量进行输送，之后再在接收端将其转换为电能，其输电方式有微波辐射式（MR-WPT）、电磁感应耦合式（MCI-WPT）、磁耦合谐振式（MCR-WPT），其中磁耦合谐振式是目前主要的无线输电方式。

2 系统仿真

利用MATLAB软件绘制SS型串联谐振电路图并在Simulink中进行仿真。用交流电源V1等效代替理想状态下经发射端各级电路作用后输出的高频交流电能，f0为其频率，L1、L2，R1、R2，C1、C2分别为谐振线圈的电感、高频阻抗和补償电容，R3为负载等效电阻，k为谐振线圈耦合系数，f1、f2分别为发射端和接收端线圈的固有谐振频率、f为系统谐振频率。系统各参数设置为：

V1=11V，L1=L2=98μH，R1=R2=10？赘，C1=C2=10.1nF，R3=30？赘，k=0.1;此方案发射线圈和接收线圈的电感和补偿电容都相同，可得系统发射端谐振频率为f1=160kHz接收端谐振频率为，f2=160kHz即接收端和发射端谐振频率相同，可知该系统为谐振式耦合系统，谐振频率为f=160kHz。

图1中方框中部分为磁耦合谐振式无线充电的耦合机构部分， 该部分将电场能转变为磁场能，利用LC谐振耦合实现电能传输。

图2分别为谐振耦合环节原边电流、副边电流以及谐振耦合环节的输出电压。

对发射端电路各组成部分进行仿真模型搭建。为实现设计出逆变电路输出占空比均为50%的方波。设置电源为220V工频交流电源、变压器变比311：13、整流桥后接滤波电容C=10nF、采用封装模块Universal Bridge搭建不可控整流桥和Mosfet逆变桥、封装Pwm控制逻辑。并将各模块输出电压进行测量采集后输出给示波器。为获得系统稳定工作后的特性，设置仿真时间为0.01s。

发射端由市电输入进行供电，经过工频变压器隔离后，在经过整流电路得到直流电压。后级利用该直流电经过桥式结构，通过PWM控制形成方波输入至无线充电的谐振耦合。系统采用开环控制，提供互补PWM驱动信号给到开关器件。

图3分别为输入电压、整流后电压以及谐振耦合环节的输入电压。

将接收端线圈接收到的高频交流电能等效为交流电源，频率为371.5kHz，用模块Universal Bridge搭建不可控整流桥，滤波电容C=500μH，负载50？赘。

以理想电源模拟谐振环节的输出，经过整流桥后经过电容滤波给负载供电。

图4分别为输出电压与负载电流波形，经过一段时间后系统趋于稳定。

图5分别为工频变压器副边电压以及谐振耦合环节的原边电流。

系统在t=0～0.04s之间存在一个暂态过程，此过程中电源输出功率波动极大。稳态后系统稳定正常运行。因此分析此过程中不同负载下的不同时间功率的传输效率，并测得系统数据如表1所示。

通过仿真可知系统在t=0～0.04s之间存在一个暂态过程，此过程中电源输出功率波动极大。在t=0.04s之后，系统开始趋于稳定。并测得系统的数据如表1所示。

为验证负载的功率特性，设置负载为50？赘，仿真时间为0.1s。运行仿真可知，系统是在t=0.08s时开始趋于稳定。测量得到表2中的各数据。

3 结束语

本次研究存在诸多不足。首先此方法依赖于仿真软件，参数设置错误、不合理等情况对系统设计的影响极大，导致仿真传输效率不高。在进行系统设计时未进行参数理论计算，以致无法实现理论计算与仿真结果的对比。最后，还未对系统进行电路设计及实验验证，也未能获得系统的实际传输性能，因而不能实现实验与仿真结果进的对比验证。

因而在日后研究中应将系统的其余部分的设计作为研究方向对系统进行优化设计，并探索系统设计较为便捷且高效率传输的方法，以实现整个系统参数的高效化和系统设计的简洁化。

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