磁耦合諧振無線能量傳輸系統功率特性研究

李江　馬騰　張鵬　王學斌

摘 要：傳輸功率和傳輸距離一直是無線電能傳輸研究的熱點問題。基于磁耦合諧振式無線能量傳輸原理，根據系統傳輸模型，推導出傳輸功率和傳輸效率公式。從而仿真分析了系統傳輸功率和傳輸距離之間的關系，研究了能量傳輸特性。

關鍵詞：無線電能傳輸；磁耦合諧振；傳輸功率

無線電能傳輸是一種新型的電能傳輸方式。該技術在導線無需直接連接的情況下，就可將電能以無線的形式進行傳輸，省去了使用導線的不便，并且用電安全[1]。自從2007年MIT學者Marin Soljacic等人首次提出通過線圈諧振耦合的方法，磁耦合諧振式無線電能就成為國內外機構和學者的研究熱點，因具有傳輸效率高、傳輸距離遠、傳輸功率大等優點，從而該技術得到了廣泛研究與應用[2]。

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸原理

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統結構框圖如圖1所示。系統包括發射端和接收端，接收端由高頻逆變電路和發射線圈構成，接收端包含接收線圈、整流濾波電路和負載。發射線圈和接收線圈分別構成兩個相互匹配的LC諧振電路。在高頻信號的驅動下，當發射端電路頻率接近發射線圈的固有頻率時，發射諧振線圈回路不斷產生電磁波向空間發射，在近場區形成交變磁場。而接收諧振線圈經過磁耦合諧振接收空間電磁波，再將接收到了高頻電流進行整流濾波供給負載，從而實現了電能的無線傳輸。

2 系統模型與仿真

根據磁耦合諧振無線電能傳輸技術的相關理論，通過兩個耦合線圈實現電能的傳輸。高頻交流電源為Us，發射線圈和接收線圈電感分別為L1和L2，電容為C1和C2，R1和R2分別是發射端和接收端等效電阻，負載用RL表示，M為互感。當系統電源角頻率為ω時，則兩線圈自阻抗分別是：

式中，D為兩線圈距離，n1，n2分別為發射與接收線圈匝數，r1，r2分別為發射與接收線圈半徑。由于兩線圈參數和結構相同，可令n=n1=n2，r=r1=r2。

結合式（4）和式（6），可得出輸出功率與傳輸距離之間的關系式。使用Matlab仿真軟件繪制出磁耦合諧振式無線電能輸出功率和傳輸距離仿真圖，如圖2所示。由圖2可知，隨著傳輸距離的增加，傳輸功率先增大后減小。

3 結束語

文章對磁耦合諧振式無線電能傳輸工作原理進行了分析，建立了傳輸實驗模型，得出了系統輸出功率和傳輸距離的關系。利用Matlab仿真工具對系統輸出功率進行仿真，從中得出傳輸功率隨著傳輸距離先增大后減小的結論。

參考文獻

[1]黃學良，譚林林，陳中，等.無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J].電工技術學報，2013，28（10）：1-11.

[2]楊慶新，陳海燕，徐桂芝.無接觸電能傳輸技術的研究進展[J].電工技術學報，2010.