基于磁共振的无线能量传输充电技术的探索

林盛　徐放　高庆忠　张杰

摘 要：磁共振无线能量传输充电技术是一种不借助线路，依托磁场共振为设备原理的高效充电的技术。磁共振方式由高频电源，发射谐振器，接收谐振器和负载组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个固有的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。但是由于应用环境的复杂多变，通过对耦合模型的分析，在保证发射端参数不变的前提下有半径对于接受端的影响是最大的，它能够最直接的影响传输效率。

关键词：WPT 磁共振 传输功率 固有频率

中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0042-01

无线电能传输WPT是不借助任何接触类的电器元件是电源和设备之间完成电能传输的方式。已知的无线电能传输技术，根据实现的方式和原理又可分为感应耦合式传输、电磁共振耦合式传输、无线电射频传输、微波传输和激光传输等。2007年7月6日，MIT的助理教授Marin Soljacic[1]领导的6人小组正式在科学杂志上发表了他们关于磁共振无线电能传输技术方面研究的文献，并且成功利用该成果点亮了2m外功率60w的灯泡，传输功率达到了40%。共振的优势在于可延长传输距离，该技术可望在电动汽车、工业机器人、航空航天、军事、无线传感器网络等领域大力发展。

1 基本原理

电磁共振的磁场强（近场）无线能量传输是多个学科交叉技术，其工作原理和传输的频段物理模型介于无线电波传输理论和传统电路模型之间，通过了解无线充能的这种基本原理和模型构造方便我们深入的进行探索。

一个电感和一个电容可以构成一个LC谐振电路，当电感或者电容的能量被激活的情况下，在不考虑能损的理想情况下，电能会周期连贯的以电感中的磁场和电容中的电场为媒介储存，这样能量周期交替储存过程在电路理论中被称为谐振。这个震荡电路电感附近的磁场在这样周期性储能变化中会产生一种交变磁场。当选取两个谐振器当发射端和接收端并调节震荡频率一致时，发射端一侧的谐振器磁场激发，磁场中的部分磁力线会在另一侧谐振器的电感线圈中交联，谐振电路电感激发的磁场是一个交变磁场，又电磁感应原理交变磁场的磁力线的交联部分通过另一侧谐振器电感线圈时，变化的磁场会产生电场。两个谐振器的谐振频率且相同，交变磁场产生的电场会储存于另一侧的谐振器电容中。 这样一个过程让发射端的谐振电路中的能量传输到了接收端一侧。

2 电路分析

通过上面的介绍可知能量传输答题经过三个阶段，而磁耦合谐振式（WPT）系统大体上由两个回路构成：高频电源和发射线圈回路；负载和接受线圈的回路。如果单纯从场的角度理解颇为复杂，我们可以简化为二回路的互感电路模型如图2所示。这种方式属于单对单的传输模式，而且单纯利用的是近场的耦合传输电能的原理，不利于提高传输的距离和效率也不利于实现闭环的控制。所以现有的实践研究表明通过防止中间谐振装置可以提升传输的距离和效率，也就是在原有的基础上加入谐振发射回路，和谐振接收回路。这种四个回路三次互感的机制我们同样可以简化为二回路的等效电路分析

其中V1是发射端回路的交流电压（来自高频电路由于互感系数不变而为定值）。 R1为发射端回路的等效电阻；C1为发射段回路的等效电容（此处使用了p/p拓扑即发射和接收端都并联谐振）；L1为发射端电路的等效电感；M是L1、L2的互感系数；D设为发射线圈和接收线圈之间的距离；L2、R2、C2是接收端与上文意义相同的的参数；i1 和i2分别为两个回路中的电流；RL为接收端连接的等效负载电阻；Vo设为输出电压。

使用等效电路让复杂的模型得到简化进而简化计算，联立方程[3]最后可以得到传输效率公式：

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3 结语

磁共振式的无线能量输送不论是在应用前景上或是在未来的科研探索上都是浓墨重彩的一笔，相比较而言它比其他的无接触式的电能传输而言它有着更多的使用价值。虽然在实际应用的大型高效性上有着技术瓶颈亟待解决，但是我们有理由相信不就得将来我们不再使用电线电缆，这需要科研工作者一次次实验改进，同时也需要社会企业的扶持和帮助。2010年海尔公司就曾经展示过它的“无尾”电视，该产品正是利用磁共振无线传能的原理。我们希望也有更多产品一步步引领科技前沿，在各个领域都有WPT技术的身影。

参考文献

[1] 范兴明，莫小勇，张鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状及应用[J].电工技术学报，2013，28（12）.

[2] 赵彪，陈希有，于庆广.用于非接触电能传输的自适应谐振技术原理[J].电工电能新技术，2010，22（2）：33-37.

[3] 张小壮.磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其实验装置研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.