基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術探討

徐玭

在當前的社會當中，隨著科技的不斷發展，輸電領域中也開始應用了越來越多的先進技術，其中，無線電能傳輸技術，是一種十分有效的技術。相比于傳統的有線電傳輸技術，能量傳輸技術的安全性、靈活性都的特性都更為良好。在該領域當中，基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術是其中一項具有代表性的技術，因此，本文對該技術進行研究和探討。

【關鍵詞】磁耦合諧振 無線能量 傳輸技術

無線能量傳輸技術，也可叫做無接觸能量傳輸，通過對無線電技術的應用，實現對電力能源的傳輸。無線能量傳輸技術從而技術的層面上來看，和無線電通信技術十分相似，在接收技術、發射技術等方面，都具有較大的相似性，二者唯一的區別就在于傳輸能量和傳輸信息。而在無線能量傳輸技術中，最大的問題就在于彌散、吸收衰減等問題。

1 基于磁耦合諧振的無線能量傳輸原理

1.1 耦合模

對于多個電磁波模式之間的耦合情況，可以通過耦合模的理論進行研究，在同類的波動模式或不同的波動模式當中，都能夠存在耦合，在相同波導電磁波和不同波導電磁波當中，也能夠存在耦合。耦合模具有較為簡單的概念，可分解復雜的耦合系統，使之成為孤立的單元，然后對其運動方程組進行求解，利用方程組的解，對孤立單元的簡正模進行表示。假定孤立單元之間，形成原有復雜系統的方式為弱耦合，則該狀態下孤立單元不會受到太大的運動狀態擾動。因此，可以通過利用這些孤立單元的微小擾動，來對復雜的耦合系統運動進行描述。

1.2 電磁輻射

根據電磁理論，如果電流作為場源，在其改變的時候，周圍的磁場、電場等，也會隨之發生改變，隨著時間發生改變的電場和磁場，會轉化為空間上的磁場和電場，電場和磁場之間不斷的轉化、環繞，從而形成一個整體，也就是電磁場。在電磁場當中，電磁輻射指的是加速度不為零的帶點運動粒子、震蕩電流、震蕩電荷等，將電磁能量傳送到外部空間，在空間中根據特定的速度進行傳輸。電荷能夠產生磁場和電場，但只是在加速運動的前提下才能產生。隨著時間的變化，導線中電流發生振蕩，將小段載流直導線作為電偶極子，載流圓環作為磁偶極子。

2 基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術

2.1 PFC電路

EMI對單相交流電進行濾波，在單項橋時不可控整流電路中，需要經過整流濾波的處理。濾波電容具有充放電特性、整流二極管則具有非線性，因此，在交流電壓舒適絕對值比濾波電容兩端電壓高時，整流二極管才會導通。而在其它時候，反向截止則是主要的狀態。因此，輸入電流會呈現尖峰脈沖，會嚴重的污染電網諧波。所以，為了抑制諧波，需要對功率因數校正技術進行應用。通常來說，可采用APFC電路結構應用在DC/DC變換器拓撲中。其中，Boost生涯電路使PFC電路中應用最為廣泛的一個種類。

2.2 數字控制器

電路中的拓撲結構種類較多，控制電路也較為復雜，因此，如果對模擬芯片進行利用，分立元件需求較多，因而會花費較高成本。同時對于電路控制的穩定性、精確性等，都會受到溫漂問題、模擬器件老化問題等，都會造成不同的影響。所以，在控制系統的設計中，可以對CPLD、DSP等進行應用。DSP指的是數字信號處理器，作為一種數字信號計算處理速度很快的微控制器，能夠對各種復雜的控制算法加以實現。CPLD指的是可編程邏輯器件，針對用戶的需求，數字集成電路能夠對邏輯功能進行自行構造。

2.3 電路拓撲結構

在磁耦合諧振式無線能量傳輸電路中，主要包括無線能量傳輸線圈、全橋高頻逆變電路、全橋DC/DC變換器、PFC功率因數校正電路、EMI濾波電路等部分。在電網當中將開關電源接入，對于電源受到電網波動的影響，應當進行規避，對電網受到電源高頻諧波的干擾也要進行避免。所以，在第一級電網接入電源的過程中，應當對EMI濾波電路進行設計。在EMI中主要包括傳導干擾、輻射干擾等，而在開關電源中通常只需對傳導干擾進行考慮。而傳導干擾中又包括差模干擾、共模干擾等部分，在設計中，還需要限制濾波器。

2.4 高頻逆變電路

在DC/AC全橋逆變電路中，同一橋臂中，相互導通兩個開關管，同時導通兩個開關管，對四個開關管通斷進行控制，在輸出測，產生的交流方波電壓幅值與輸入電壓幅值相同。在輸出側，如果對LC并聯諧振電路進行建立，產生的正弦電壓有效值能夠和輸入電壓相同。在基于磁耦合諧振的無線能量傳輸技術中，發射線圈是依靠逆變電路輸出進行供電。所以，應當具有兆赫級別的工作頻率。同時，為了對便于對電路的試驗研究和優化改進，應當提供可隨意調節的輸出電壓和工作頻率。

2.5 DC/DC變換器

在DC/DC全橋變換器當中，兩個開關管對同一橋臂進行互補導通，兩個開關管同時導通，通過對四個開關管通斷的控制，在變壓器原邊，會有和輸入電壓幅值相同的交流方波電壓產生。在變壓器變比已知的情況下，變壓器進行隔離轉換，在變壓器副邊，產生的交流方波電壓為輸入電壓與便變壓器變比之間的比值。通過整流，對直流方波電壓進行輸出，然后在LC濾波下，使直流電壓達到平穩。不過，由于此種控制方法難以有效的應對升高的開關頻率，因而采用了軟開關技術，在通斷開關的過程中，能夠達到零電流或零電壓，因而避免了損耗。

3 結論

在當前的社會當中，電力能源是最為主要的能源之一，在很多領域當中，都需要對電力能源進行應用。傳統的電力能源傳輸都是通過輸電線路實現的，而在海島、沙漠、高原地區供電；井下、油田供電線路；植入式醫療器械供電；智能家居電能供應；太空能源輸送等方面，都對無線傳輸方式有著較高的要求。因此，采用基于磁耦合諧振的無限能量傳輸技術，能夠更好的滿足這些應用需求。

參考文獻

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作者單位

南京郵電大學電子科學與工程學院 江蘇省南京市 210046