磁耦合谐振无线能量传输系统功率特性研究

李江　马腾　张鹏　王学斌

摘 要：传输功率和传输距离一直是无线电能传输研究的热点问题。基于磁耦合谐振式无线能量传输原理，根据系统传输模型，推导出传输功率和传输效率公式。从而仿真分析了系统传输功率和传输距离之间的关系，研究了能量传输特性。

关键词：无线电能传输；磁耦合谐振；传输功率

无线电能传输是一种新型的电能传输方式。该技术在导线无需直接连接的情况下，就可将电能以无线的形式进行传输，省去了使用导线的不便，并且用电安全[1]。自从2007年MIT学者Marin Soljacic等人首次提出通过线圈谐振耦合的方法，磁耦合谐振式无线电能就成为国内外机构和学者的研究热点，因具有传输效率高、传输距离远、传输功率大等优点，从而该技术得到了广泛研究与应用[2]。

1 磁耦合谐振式无线电能传输原理

磁耦合谐振式无线电能传输系统结构框图如图1所示。系统包括发射端和接收端，接收端由高频逆变电路和发射线圈构成，接收端包含接收线圈、整流滤波电路和负载。发射线圈和接收线圈分别构成两个相互匹配的LC谐振电路。在高频信号的驱动下，当发射端电路频率接近发射线圈的固有频率时，发射谐振线圈回路不断产生电磁波向空间发射，在近场区形成交变磁场。而接收谐振线圈经过磁耦合谐振接收空间电磁波，再将接收到了高频电流进行整流滤波供给负载，从而实现了电能的无线传输。

2 系统模型与仿真

根据磁耦合谐振无线电能传输技术的相关理论，通过两个耦合线圈实现电能的传输。高频交流电源为Us，发射线圈和接收线圈电感分别为L1和L2，电容为C1和C2，R1和R2分别是发射端和接收端等效电阻，负载用RL表示，M为互感。当系统电源角频率为ω时，则两线圈自阻抗分别是：

式中，D为两线圈距离，n1，n2分别为发射与接收线圈匝数，r1，r2分别为发射与接收线圈半径。由于两线圈参数和结构相同，可令n=n1=n2，r=r1=r2。

结合式（4）和式（6），可得出输出功率与传输距离之间的关系式。使用Matlab仿真软件绘制出磁耦合谐振式无线电能输出功率和传输距离仿真图，如图2所示。由图2可知，随着传输距离的增加，传输功率先增大后减小。

3 结束语

文章对磁耦合谐振式无线电能传输工作原理进行了分析，建立了传输实验模型，得出了系统输出功率和传输距离的关系。利用Matlab仿真工具对系统输出功率进行仿真，从中得出传输功率随着传输距离先增大后减小的结论。

参考文献

[1]黄学良，谭林林，陈中，等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013，28（10）：1-11.

[2]杨庆新，陈海燕，徐桂芝.无接触电能传输技术的研究进展[J].电工技术学报，2010.