磁耦合雙模無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)研究

劉曉明 徐葉飛 彭 博 孫天龍 賈茂源

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110870 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)(營(yíng)口)工程技術(shù)研究院 營(yíng)口 115200)

?

磁耦合雙模無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)研究

劉曉明1，2徐葉飛1彭 博1孫天龍1賈茂源1

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110870 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)(營(yíng)口)工程技術(shù)研究院 營(yíng)口 115200)

磁耦合感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸(MCI-WPT)感應(yīng)區(qū)域傳輸效率高，而磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸(MCR-WPT)諧振區(qū)域傳輸效率高，為解決兩者優(yōu)勢(shì)不可兼得的問(wèn)題，提出磁耦合雙模無(wú)線(xiàn)電能傳輸(MCB-WPT)，引入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組，實(shí)現(xiàn)磁耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可控，使其可工作在MCI-WPT和MCR-WPT雙模式下，在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最佳能量傳輸。建模分析MCI-WPT與MCR-WPT傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系；提出MCB-WPT方案，建立其傳輸效率模型，并給出MCB-WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和控制策略。實(shí)驗(yàn)證明，MCB-WPT在感應(yīng)區(qū)域和諧振區(qū)域均可獲得較高傳輸效率。

無(wú)線(xiàn)電能傳輸 磁耦合 傳輸效率

0 引言

無(wú)線(xiàn)電能傳輸，作為一種新興電能傳輸方式，具有隔離、防爆、防潮及防水等特性，利于自動(dòng)化輸電接口實(shí)現(xiàn)，常用于礦井、自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)AGV(Automatic Guide Vehicle)、水下機(jī)器供電以及混合動(dòng)力車(chē)充電等領(lǐng)域[1，2]，將成為未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)是通過(guò)發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量(如電磁場(chǎng)能、激光、微波及機(jī)械波等)，隔空傳輸一段距離后，再通過(guò)接收器將中繼能量轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線(xiàn)傳輸。根據(jù)能量傳輸過(guò)程中中繼能量形式的不同，可分為磁(場(chǎng))耦合式、電(場(chǎng))耦合式、電磁輻射式和機(jī)械波耦合(超聲波耦合)式。磁耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸因傳輸功率大、效率高，應(yīng)用較為廣泛[1，2]。其包括磁耦合感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Magnetically-Coupled Inductive Wireless Power Transfer，MCI-WPT)和磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)兩種形式[2]。

文獻(xiàn)[3-7]研究了MCI-WPT的傳輸原理、發(fā)射裝置和接收裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制方案。文獻(xiàn)[8]率先提出MCR-WPT技術(shù)，隔空2 m點(diǎn)亮一個(gè)60 W燈泡。文獻(xiàn)[9，10]理論分析與實(shí)驗(yàn)證明：有且僅在諧振狀態(tài)下，MCI-WPT系統(tǒng)和MCR-WPT系統(tǒng)具有最高傳輸效率與最大傳輸功率。文獻(xiàn)[11]指出，在MCI-WPT系統(tǒng)中，隨著互感系數(shù)增大，傳輸效率和功率均增大。文獻(xiàn)[12，13]研究表明，在MCR-WPT系統(tǒng)中，當(dāng)互感系數(shù)增大到一定程度后，隨互感系數(shù)進(jìn)一步增大，傳輸效率反而降低。目前，國(guó)內(nèi)外直接以傳輸距離為因變量分析WPT傳輸效率的研究少有報(bào)道，而多數(shù)研究在分析傳輸效率時(shí)僅結(jié)合互感系數(shù)變化。

在手機(jī)和可穿戴設(shè)備(如智能手環(huán))等WPT充電過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采用MCI-WPT需要保持接收端緊貼發(fā)射端，以獲得較高傳輸效率，一旦有異物(如一定厚度的卡通元素手機(jī)保護(hù)套)介入發(fā)射端與接收端，使得傳輸距離變長(zhǎng)，傳輸效率將驟降；相反，采用MCR-WPT技術(shù)雖可在較大傳輸距離下獲得較高傳輸效率，但對(duì)于同一諧振線(xiàn)圈，當(dāng)傳輸距離變近時(shí)傳輸效率卻急劇下降。在固定發(fā)射端給底盤(pán)高低不同的電動(dòng)汽車(chē)WPT充電過(guò)程和對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象無(wú)線(xiàn)供電過(guò)程中，均存在此類(lèi)問(wèn)題。為此，提出磁耦合雙模無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Magnetically-Coupled Bi-module Wireless Power Transfer，MCB-WPT)概念：引入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組，改變MCB-WPT系統(tǒng)拓?fù)洌蛊淇晒ぷ髟贛CI-WPT和MCB-WPT雙模式下，在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最大效率能量傳輸，對(duì)比建模分析MCI-WPT、MCR-WPT和MCB-WPT，直接給出傳輸效率與傳輸距離的關(guān)系曲線(xiàn)以及MCB-WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和控制策略。

1 MCI-WPT與MCR-WPT系統(tǒng)

1.1 工作原理

MCI-WPT與MCR-WPT均是基于電磁感應(yīng)原理[11，12]，結(jié)合現(xiàn)代電力電子技術(shù)及控制理論的新型電能傳輸模式，典型MCI-WPT系統(tǒng)和MCR-WPT系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示。

圖1 典型磁耦合感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 The typical topology of MCI-WPT

圖2 典型磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)銯ig.2 The typical topology of MCR-WPT

無(wú)論是MCI-WPT還是MCR-WPT，為實(shí)現(xiàn)較高傳輸效率，均在發(fā)射端和接收端接入補(bǔ)償電容。補(bǔ)償電容可使變換器工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件諧振軟開(kāi)關(guān)，降低開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)一步提高傳輸效率。

MCI-WPT與MCR-WPT的主要區(qū)別在于：能量無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，是否發(fā)生強(qiáng)磁耦合諧振。強(qiáng)耦合諧振現(xiàn)象的發(fā)生依賴(lài)于諧振腔，諧振腔工作原理類(lèi)似音叉共振：同等能量輸入下，當(dāng)激勵(lì)頻率為諧振腔固有頻率時(shí)，諧振腔發(fā)生強(qiáng)磁耦合諧振，諧振腔內(nèi)電流幅值是非諧振時(shí)的數(shù)倍(與品質(zhì)因數(shù)有關(guān))，諧振腔周?chē)艌?chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)。得益于強(qiáng)磁耦合諧振，MCR-WPT可在較大傳輸距離下實(shí)現(xiàn)較高效率無(wú)線(xiàn)電能傳輸。

1.2MCI-WPT傳輸效率建模

(1)

(2)

(3)

(4)

傳輸效率ηMCI為

(5)

當(dāng)發(fā)射端和接收端回路均發(fā)生諧振時(shí)，傳輸效率ηMCI為

(6)

(7)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；ri1、ri2分別為發(fā)射端和接收端線(xiàn)圈半徑；ni1、ni2分別為發(fā)射端和接收端線(xiàn)圈匝數(shù)。

角頻率ω由式(8)計(jì)算得出

(8)

MCI-WPT模型中，L=Lis+Mi0，C=Cis。

工程實(shí)際中，MCI-WPT傳輸距離li等于距離Di0。MCI-WPT無(wú)線(xiàn)電能傳輸過(guò)程中，系統(tǒng)一直工作在諧振狀態(tài)，由式(6)，取MCI-WPT傳輸效率模型各參數(shù)如表1所示，計(jì)算可得MCI-WPT傳輸效率ηMCI與傳輸距離li的關(guān)系如圖3所示。

表1 MCI-WPT傳輸效率模型參數(shù)表Tab.1 The parameter of the MCI-WPT transmission efficiency model

圖3 MCI-WPT傳輸效率ηMCI與傳輸距離li關(guān)系Fig.3 The transmission efficiency ηMCI and transmission distance li curve in the MCI-WPT

由圖3可知，在MCI-WPT過(guò)程，若其他參數(shù)不變，傳輸效率ηMCI隨傳輸距離li增加而降低。

1.3MCR-WPT傳輸效率建模

(9)

(10)

(11)

(12)

Zr1Ir1+jωMr1Ir2=Uri

(13)

jωMr1Ir1+Zr2Ir2+jωMr2Ir3=0

(14)

jωMr2Ir2+Zr3Ir3+jωMr3Ir4=0

(15)

jωMr3Ir3+Zr4Ir4=0

(16)

解得

(17)

(18)

其中

α1=(jωMr2)2Zr4+[-Zr3Zr4+(jωMr3)2]Zr2

(19)

α2=(jωMr2)2Zr1+[-Zr1Zr2+(jωMr1)2]Zr3

(20)

為使系統(tǒng)易于工作在諧振點(diǎn)，提高系統(tǒng)傳輸效率，設(shè)計(jì)時(shí)，常使發(fā)射端感應(yīng)回路和接收端感應(yīng)回路、發(fā)射端諧振回路和接收端諧振回路的物理結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，電氣參數(shù)一致。因此，為便于計(jì)算，令Mr1=Mr3、Zr2=Zr3，由效率公式可求得

(21)

其中

α3=Zr2Zr4-(jωMr1)2

(22)

α4=Zr1Zr2-(jωMr1)2

(23)

表2 MCR-WPT傳輸效率模型電氣參數(shù)表Tab.2 The electrical parameter table of the MCR-WPT transmission efficiency model

表3 MCR-WPT傳輸效率模型物理尺寸參數(shù)表Tab.3 The physical parameter table of the MCR-WPT transmission efficiency model

如圖4a所示，保持Dr1(Dr1≠0)不變，傳輸效率ηMCR與lr的關(guān)系，與保持lr(lr≠0)不變，傳輸效率ηMCR與Dr1的關(guān)系均類(lèi)似上凸拋物曲線(xiàn)。

圖4 MCR-WPT傳輸效率ηMCR與Dr1、 lr關(guān)系Fig.4 The transmission efficiency ηMCR and Dr1、 lr in the MCR-WPT

圖4b進(jìn)一步分段顯示在Dr1不同取值下，傳輸效率ηMCR與傳輸距離lr的關(guān)系：在MCR-WPT過(guò)程，若其他參數(shù)保持不變，系統(tǒng)一直處于諧振狀態(tài)，隨著傳輸距離lr由遠(yuǎn)漸近，傳輸效率ηMCR先增大后減小。

2 MCB-WPT系統(tǒng)

2.1 工作原理

由于MCI-WPT在傳輸距離較近時(shí)傳輸效率高(同MCB-WPT比較)，但在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)傳輸效率低；MCR-WPT在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)傳輸效率高，但在傳輸距離較近時(shí)傳輸效率反而低。無(wú)論傳輸距離遠(yuǎn)近，為使無(wú)線(xiàn)電能傳輸均具有較高傳輸效率，采用如圖5所示MCB-WPT系統(tǒng)，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組S1、S2選擇是否使諧振腔接入系統(tǒng)，使MCB-WPT系統(tǒng)工作在MCI-WPT和MCR-WPT兩種傳輸模式中傳輸效率較高的模式，說(shuō)明如下：

圖5 MCB-WPT工作原理 Fig.5 The MCB-WPT working principle

1)S1、S2開(kāi)斷轉(zhuǎn)換點(diǎn)為臨界傳輸距離，當(dāng)傳輸距離等于臨界傳輸距離時(shí)，MCB-WPT工作于MCI-WPT模式傳輸效率等于MCR-WPT模式傳輸效率。

2)使傳輸距離小于臨界傳輸距離的空間區(qū)域?yàn)楦袘?yīng)區(qū)域。在感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，MCB-WPT工作于MCI-WPT模式傳輸效率高于MCR-WPT模式傳輸效率。

3)使傳輸距離大于臨界傳輸距離的空間區(qū)域?yàn)橹C振區(qū)域。在諧振區(qū)域內(nèi)，MCB-WPT工作于MCI-WPT模式傳輸效率低于MCR-WPT模式傳輸效率。

在諧振區(qū)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組S1、S2閉合時(shí)，MCB-WPT系統(tǒng)工作在MCR-WPT模式；在感應(yīng)區(qū)域，S1、S2斷開(kāi)時(shí)，MCB-WPT系統(tǒng)工作在MCI-WPT模式。

2.2 MCB-WPT傳輸效率建模

ηMCB=max{ηMCI,ηMCR}

(24)

由式(24)，取MCB-WPT傳輸效率模型參數(shù)與MCR-WPT傳輸效率模型參數(shù)一致，計(jì)算得MCB-WPT傳輸效率ηMCB與傳輸距離lb關(guān)系如圖6所示。

圖6 MCB-WPT傳輸效率ηMCB與傳輸距離lb關(guān)系Fig.6 The transmission efficiency ηMCB and transmission distance lb in the MCB-WPT

2.3 控制策略

當(dāng)負(fù)載移動(dòng)，接收端線(xiàn)圈在感應(yīng)區(qū)域和諧振區(qū)域間變動(dòng)時(shí)，為使MCB-WPT系統(tǒng)持續(xù)工作在最大傳輸效率狀態(tài)，需采取適當(dāng)控制策略，開(kāi)通與關(guān)斷轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組S1、S2。

MCB-WPT系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載距離調(diào)整工作模式，實(shí)現(xiàn)高效傳輸，簡(jiǎn)單有效的方法是直接計(jì)算接收端諧振線(xiàn)圈與發(fā)射端諧振線(xiàn)圈的距離Db2， 以此判斷傳輸是否處于感應(yīng)區(qū)域，并控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組S1、S2動(dòng)作，控制流程圖如圖7所示。

圖7 MCB-WPT控制流程圖Fig.7 The control diagram of the MCB-WPT

具體控制流程：?jiǎn)?dòng)時(shí)，輸出單個(gè)能量脈沖作用于線(xiàn)圈Lbs，在互感Mb1作用下，線(xiàn)圈Lbr感生電流Ibr；感生電流Ibr在發(fā)射端諧振回路阻抗Zr2及互感Mb1、Mb2作用下阻尼振蕩衰減；保持Db1=Db3不變，即Mb1=Mb3不變，此時(shí)阻尼振蕩信號(hào)頻率frlc主要和Mb2有關(guān)，即與傳輸距離lb有關(guān)；接收線(xiàn)圈Lbr感生電流Ibr振蕩信號(hào)，通過(guò)微控制器(Micro Control Unit，MCU)時(shí)間計(jì)數(shù)可得振蕩信號(hào)頻率frlc，再通過(guò)振蕩信號(hào)頻率frlc與傳輸距離lb關(guān)系判斷發(fā)射端與接收端位置關(guān)系；進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組S1、S2開(kāi)斷，實(shí)現(xiàn)高效傳輸。

輸出試探脈沖到接收振蕩信號(hào)的過(guò)程，其原理可用式(25)所述RLC二階電路沖激響應(yīng)解釋。

(25)

式中，ubc為電容Cbr電壓；Lbm=Lbr+Mb1+Mb2。

傳輸距離lb與振蕩信號(hào)頻率frlc的關(guān)系可表示為

(26)

由式(26)及Lbm=Lbr+Mb1+Mb2，取Lbr=Lrr=1.59 μH，Cbr=Crr=0.3 μF，Mb1、Mb2由式(7)類(lèi)比計(jì)算得出(計(jì)算Mb1時(shí)取Db1=30 mm)，計(jì)算得傳輸距離lb與振蕩信號(hào)頻率frlc關(guān)系如圖8所示。

圖8 傳輸距離lb與振蕩信號(hào)頻率frlc關(guān)系Fig.8 The transmission distance lb and resonant signal frequency frlc curve

在連續(xù)功率輸出狀態(tài)下，模式調(diào)整過(guò)程可按類(lèi)似原理實(shí)現(xiàn)，其控制流程如圖9所示。

圖9 模式調(diào)整流程圖Fig.9 The control diagram of the model adjustment

3 實(shí)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)MCB-WPT系統(tǒng)時(shí)，為提高傳輸效率，無(wú)論系統(tǒng)工作于MCI-WPT模式還是MCR-WPT模式，各回路均應(yīng)工作在諧振狀態(tài)。受功率器件限制，常見(jiàn)MCI-WPT系統(tǒng)工作在22～250 kHz頻率范圍，少數(shù)則工作在500 kHz；MCR-WPT系統(tǒng)工作頻率則從90.79 kHz到80 MHz不等[2]。工程實(shí)際計(jì)算傳輸效率時(shí)，還應(yīng)綜合考慮變換電路開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)損耗，同等功率下，頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大。為此，將MCB-WPT系統(tǒng)主頻設(shè)計(jì)在230 kHz附近(小范圍調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率，以避免系統(tǒng)工作于其他因頻率分叉現(xiàn)象而出現(xiàn)多諧振點(diǎn)[6])。

為驗(yàn)證MCB-WPT系統(tǒng)實(shí)用性，按圖5所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，搭建實(shí)驗(yàn)MCB-WPT系統(tǒng)樣機(jī)(如圖10所示)。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.10 The experiment equipment

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 The experiment result

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，MCB-WPT在傳輸距離較近時(shí)，傳輸效率高于MCR-WPT傳輸效率；傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，傳輸效率明顯高于MCI-WPT傳輸效率。

4 結(jié)論

建模分析傳輸距離對(duì)MCI-WPT和MCR-WPT傳輸效率的影響，提出MCB-WPT概念，建模分析，給出控制方法，并實(shí)驗(yàn)證明MCB-WPT可提高現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)電能傳輸方式使用性能，解決了MCI-WPT感應(yīng)區(qū)域傳輸效率高與MCR-WPT諧振區(qū)域傳輸效率高兩優(yōu)點(diǎn)不可兼得的問(wèn)題。建模分析結(jié)論除適用于指導(dǎo)MCB-WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，還適于一般MCI-WPT和MCR-WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

[1] 楊慶新，陳海燕，徐桂芝，等.無(wú)接觸電能傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(7)：6-13. Yang Qingxin，Chen Haiyan，Xu Guizhi，et al.Research progress in contactless power transmission technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(7)：6-13.

[2] 趙爭(zhēng)鳴，張藝明，陳凱楠.磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(3)：1-13. Zhao Zhengming，Zhang Yiming，Chen Kainan.New progress of magnetically-coupled resonant wireless power transfer technology[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(3)：1-13.

[3] 唐春森.非接觸電能傳輸系統(tǒng)軟開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)研究及應(yīng)用[D].重慶大學(xué)，2009.

[4] Kacprzak D，Covic G A，Boys J T.An improved magnetic design for inductively coupled power transfer system pickups[C].The 7th International Power Engineering Conference，Singapore，2005：1133-1136.

[5] Boys J T，Elliott G A J，Covic G A.An appropriate magnetic coupling co-efficient for the design and comparison of ICPT pickups[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(1)：333-335.

[6] Tang Chunsen，Dai Xin，Wang Zhihui，et al.Frequency bifurcation phenomenon study of a soft switched push-pull contactless power transfer system[C].2011 6thIEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA)，Beijing，2011：1981-1986.

[7] 程志遠(yuǎn)，朱春波，魏國(guó)，等.串-并補(bǔ)償結(jié)構(gòu)大功率感應(yīng)充電系統(tǒng)諧振變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(9)：44-48. Cheng Zhiyuan，Zhu Chunbo，Wei Guo，et al.Resonant Converter for high power ICPT system with series-parallel compensation[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(9)：44-48.

[8] Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317(5834)：83-86.

[9] Fu Wenzhen，Zhang Bo，Qiu Dongyuan.Study on frequency-tracking wireless power transfer system by resonant coupling[C].IEEE 6thInternational Power Electronics and Motion Control Conference，Wuhan，2009：2658-2663.

[10]Kim N Y，Kim K Y，Choi J，et al.Adaptive frequency with power-level tracking system for efficient magnetic resonance wireless power transfer[J].Electronics Letters，2012，48(8)：452-454.

[11]何秀，顏國(guó)正，馬官營(yíng).互感系數(shù)的影響因素及其對(duì)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)效率的影響[J].測(cè)控技術(shù)，2007，26(11)：57-60. He Xiu，Yan Guozheng，Ma Guanying.Mutual inductance’s affecting factors and its affection to the energy transmission efficiency of wireless energy transmission system[J].Measurement and Control Technology，2007，26(11)：57-60.

[12]翟淵，孫躍，戴欣，等.磁共振模式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(12)：155-160. Zhai Yuan，Sun Yue，Dai Xin，et al.Modeling and analysis of magnetic resonance wireless power transmission systems[J].Proceedings of the CSEE，2012，32(12)：155-160.

[13]譚林林，黃學(xué)良，趙俊鋒，等.一種無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的盤(pán)式諧振器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(8)：1-6. Tan Linlin，Huang Xueliang，Zhao Junfeng，et al.Optimization design for disc resonators of a wireless power transmission system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(8)：1-6.

[14]李陽(yáng)，楊慶新，閆卓，等.無(wú)線(xiàn)電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(1)：106-112. Li Yang，Yang Qingxin，Yan Zhuo，et al.Analysis on effective range of wireless power transfer and its impact factors[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(1)：106-112.

[15]Karalis A，Joannopoulos J D，Soljacic M.Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer[J].Annals of Physics，2008，323(1)：34-48.

Study on Magnetically-Coupled Bi-module Wireless Power Transfer

LiuXiaoming1，2XuYefei1PengBo1SunTianlong1JiaMaoyuan1

(1.School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2.Institute of Engineering and Technology Shenyang University of Technology (Yingkou) Yingkou 115200 China)

To combine the respective transmission efficiency advantages of the magnetically-coupled inductive wireless power transfer (MCI-WPT) in the inductive field and the magnetically-coupled resonant wireless power transfer (MCR-WPT) in the resonant field，the magnetically-coupled bi-module wireless power transfer(MCB-WPT) is presented in this paper，whose topology is changed according to the control by the state-switches.The MCB-WPT can work in the MCI-WPT mode and MCR-WPT mode with optimal transmission efficiency in the valid range.Moreover，the influence of the transmission distance on the transmission efficiency with MCI-WPT and MCR-WPT models is analyzed and the concept of MCB-WPT is proposed.Furthermore，the optimal design and control strategy is presented.The experiment shows that the high transmission efficiency can be obtained in both inductive field and resonant field with MCB-WPT.

Wireless power transfer，magnetically coupled，transmission efficiency

國(guó)家自然科學(xué)基金(51377106)和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51337001)資助。

2015-02-14 改稿日期2015-04-02

TM724

劉曉明 女，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代高壓電器設(shè)計(jì)及應(yīng)用、高電壓與絕緣技術(shù)、智能電器。(通信作者)

徐葉飛 男，1991年生，碩士，研究方向?yàn)橹悄茈娖鳌?/p>