磁共振无线充电技术功率传输效率提高方法综述

徐 栋，王冬青

（1.青岛大学 自动化学院，青岛 266071；2.青岛大学 电气工程学院，青岛 266071）

0 引言

无线充电技术是近年来研究的热点，它使用户能够像通过空气传输数据一样方便地对移动设备进行充电。无线充电技术的发展消除了电力传输对物理导体的依赖，从而大幅度减少其产生的大量电子废物[1～3]。

目前，无线充电技术主要分为远场和近场两种。远场技术是利用电磁波或无线电频率广播进行传播，其传输能量的方式与无线电传输信号的方式相同[4]。远场技术允许在大范围内进行传输功率，但它有几个局限性，如传输功率和效率低以及会对周围环境产生巨大影响。

近场技术主要分为感应耦合技术和磁共振技术。感应耦合技术的工作距离通常小于发射信号的波长，但由于发射线圈和接收线圈之间的耦合不足，因此具有传输范围小的限制（约几厘米）[2]。

磁共振无线充电技术比传统的感应耦合技术更高效，可以在更长的范围内进行功率的传输。磁共振无线充电技术最初是基于耦合模理论提出的，耦合模理论证明了磁共振技术可以在大耦合距离下提高功率传输效率[5]。磁共振无线充电系统在小型无线电源、非接触式充电电动汽车、医疗保健设备和工业自动化系统中得到了广泛的应用[6]。但在此类应用中，接收装置相对于发射装置的范围和方向会在用户使用过程中不断变化[2]，这导致功率传输效率不能始终保持最大值。为了满足磁共振无线充电系统对功率传输效率的要求，本文主要从自动频率调谐、阻抗匹配、线圈配置等几个方向进行分析，对提高功率传输效率的方法进行总结。

1 系统概述

图1为磁共振无线充电系统的示意图。系统由发射端和接收端组成，发射端包括交流电源、整流器、DC/DC升压变换器、逆变器、补偿网络和发射线圈，接收端由接收线圈、补偿网络、整流器和负载组成。在发射端，交流电源通过整流器整流成直流；DC/DC升压变换器增加直流电源的电压；逆变器将直流电源转换成高频交流电源，为补偿网络和发射线圈提供电能。为了最大限度地提高功率传输效率，需要对接收端的补偿网络进行调谐，使其具有与发射端相同的谐振频率，从而在发射线圈和接收线圈之间产生共振。然后接收线圈通过两个线圈之间的相互耦合的电感从发射线圈接收电能。最后电能经过整流电路对负载或设备进行充电。

2 功率传输效率的提高方法

图1 磁共振WPT系统示意图

对于两线圈磁共振无线充电系统，功率传输效率受线圈间耦合系数、线圈品质因数、工作频率、负载等因素的影响[3]。

2.1 阻抗匹配

对于双线圈磁共振无线充电系统，由于线圈间具有漏感，实际负载值并不总是等于理想值，因此需要设计阻抗匹配电路以匹配实际负载和理想负载之间的阻抗[7]，使系统获得最大的功率传输效率。在发射端采用阻抗匹配技术可以实现输入电压和输入电流的零相位角，不需要电源提供无功功率，即电源的视在功率等于有功功率。在接收端，通过阻抗匹配技术可以使其具有与发射端相同的谐振频率，从而最大限度地提高功率传输效率。此外，阻抗匹配技术可以实现功率晶体管的软开关，从而降低开关损耗。阻抗匹配技术的另一个优点是实现恒流或恒压充电，即输入电压值固定时，输出的直流电流或直流电压固定。

阻抗匹配电路具有多种拓扑结构，采用线性负载分析或数值分析方法可以方便地设计电路参数。图2为阻抗匹配电路的四种基本补偿拓扑，即SS、SP、PS和PP。其中，“S”或“P”分别代表补偿电容和线圈之间串联或并联。

图2 四种基本补偿拓扑

文献[8]研究了四种基本补偿拓扑，他们证明了PS和PP补偿拓扑中的发射端补偿电容Ct与线性负载有关。在这种情况下，当线性负载值变化时，发射端电容Ct必须重新设计才能保证得到最大的功率传输效率。而在SS和SP补偿拓扑中，发射电容Ct是独立于线性负载的。因此，SS和SP补偿拓扑更适合于可变线性负载条件。

图3 双边LCC补偿拓扑

密歇根大学的研究人员[9]提出了一种新的阻抗匹配技术——双边LCC补偿拓扑。与SS补偿拓扑相比，双边LCC补偿拓扑引入了两个补偿线圈来补偿耦合线圈所产生的消耗。如图3所示，补偿线圈L1与接收端的电容C1共振，Lr和Cr结合起来与C2产生共振，因此共振频率与负载条件和耦合系数无关。由于双边补偿拓扑的对称性，在接收端L2与C2发生共振，Lt和Ct与C1发生共振。双面LCC补偿拓扑保证了系统的共振振频率与负载条件和线圈间耦合系数无关。因此，当Us固定时，输出功率是恒定的。文献[10]将补偿线圈集成到双线圈系统中，可以提供6KW的负载功率，在150mm的工作范围内达到95%以上的功率传输效率。文献[11]使用基于LCL-T的阻抗匹配电路，使得稳态输出电流与负载无关。文献[12]提出了一种新型的S-CLC补偿拓扑，它由一个补偿电感和三个补偿电容组成，允许恒压输出和零相位切换。尽管补偿方法多种多样，但很少有人考虑非线性整流负载的补偿方法。在许多应用中，如电动汽车和手机无线充电，无线充电系统的输出电路总是使用整流电路将高频交流电转换成直流电，因此会使在电路中引入非线性元素。对于非线性整流负载，阻抗匹配设计比线性负载更为复杂。整流负载的等效阻抗值不仅受其参数的影响，而且受前置阻抗匹配电路的影响，不能简单地简化为线性阻抗[3]。因此，在整流负载下，接收线圈阻抗匹配电路参数的设计比较困难。文献[3]推导了基于基本元件的整流器负载等效阻抗计算方法，以实现无线充电系统的最大功率传输效率。

2.2 共振频率自动跟踪方法

磁共振无线充电系统存在两种共振频率，一种为系统固有的谐振频率，它与线圈及补偿电容的参数有关；另外一种为两个线圈相互耦合作用下的共振频率，它与线圈间的耦合强度有关。通过将系统的工作频率调整至系统固有谐振频率或线圈耦合作用下的共振频率，可以提高无线充电系统的功率传输效率。文献[13]给出了一种自动跟踪系统固有谐振频率的方法，该方法可以在固定工作频率下提高无线充电系统的功率传输效率。然而，该方法的实现要求发射端和接收端的电路参数准确，而且需要两端的固有谐振频率保持一致。调整系统共振频率以实现输入电压和电流的零相位角或实现最小反射系数，也可以提高系统的功率传输效率。在文献[14]中，通过推导输入电压和电流零相位角频率的计算公式，提出了一种自动跟踪共振频率来提高系统功率传输效率的方法。然而，这些方法需要获得关于发射线圈和接收线圈之间耦合系数的信息，增加了实际应用的难度。

2.3 提高线圈间耦合系数

当发射线圈和接收线圈之间的耦合系数越大时，无线充电系统的功率传输效率就越大。因此，可以通过增强线圈间的耦合系数开提高系统的功率传输效率。

耦合系数是关于两个线圈之间的互感强度的函数，它与线圈间的互感强度成正比。而线圈间的互感强度与线圈所包围的磁通量成正比。线圈所围成的区域越大则通过线圈的磁通量就越大，因此线圈间的互感强度与线圈几何形状有关。另外，互感强度也与线圈所处的磁场强度的影响。因此，为了增强线圈之间的耦合系数，可以对线圈的几何形状和磁场强度进行研究。

通常，耦合系数与相互作用线圈的几何形状直接相关，这意味着可以通过使用更大的线圈来增强两个线圈之间的耦合。但是在实际应用中往往会由于空间等原因限制线圈的尺寸。因此，线圈设计研究的重点通常是通过选择适当数量的线圈匝数、匝间距和匝间宽度，来最大化给定几何形状的线圈的导体长度。

增强磁场强度是一种被广泛应用于短距离无线充电系统的提高耦合系数的方法。典型的技术包括使用铁氧体材料来改变发射线圈中激励磁场的分布。铁氧体通常具有高磁导率和相对低的涡流损耗，可将激励磁场定向到预期的耦合方向。因此，无线充电系统的线圈大多应用铁氧体磁芯发射线圈，铁氧体板和铁氧体片接收线圈[15,16]。

除此之外，由于激励磁场的强度随距离的增加而减小，线圈间的耦合系数还与线圈间的距离有关。因此，磁共振无线充电系统的耦合系数的提高需要考虑线圈之间的距离和磁场强度的组合影响，才能更好地提高系统在长工作距离下的功率传输效率。

2.4 提高线圈的品质因数

磁共振无线充电系统存在一个临界耦合点，当耦合系数大于临界耦合点时，系统可以实现最大功率传输效率，且功率传输效率接近恒定不变。而当耦合系数小于临界耦合点时，随着耦合系数地减小，功率传输效率急剧下降。因此，尽可能地最小化临界耦合点可以提高系统的功率传输效率。临界耦合点与线圈的品质因数有关，线圈品质因数越高，临界耦合点越小，提高线圈的品质因数可以增大系统的工作范围并实现接近恒定的最大传输效率。

品质因数表示线圈的电抗部分与线圈本身的电阻部分的比率，其描述了线圈中的峰值能量与每个周期的能量消耗之间的关系。因此，可以使用具有高电抗比的线圈设计来实现高品质因数线圈。通常，增加线圈品质因数的方法是增加线圈的电感，同时限制寄生电容以实现高线圈电抗，并使用高导电材料制造线圈以减少线圈的线圈电阻。

实现高线圈电抗的方法是设计具有合适匝数，导体直径和匝间空间的线圈。通常，线圈匝间的间隔紧密、线圈导体的直径小可以增加线圈自感。文献[17]中提出使用双匝布局，可以增加平面线圈上的匝数。通过使用利兹线等低阻线圈材料[17]可以使线圈电阻减小，从而增大线圈品质因数。

3 结语

本文通过对磁共振无线充电系统模型的分析，介绍了使用阻抗匹配技术实现零相位角，应用共振频率自动跟踪方法来找到系统共振频率，提高线圈间的耦合系数以及最大化线圈的品质因数，可以改善系统的工作范围并提高系统的功率传输效率。

磁共振无线充电技术在功率传输效率方面的改进，将是其能否消除可充电设备对物理导体的需求以及提高电子设备移动性的决定性因素。对于非线性整流负载的阻抗匹配设计的研究、利用最少的接收端和发射端耦合信息来实现共振频率的自动跟踪、综合线圈间距离以及线圈间耦合强度对提高线圈间耦合系数的方法进行研究、以及充分考虑线圈的几何形状和材料等因素实现线圈高品质因数，是提高磁共振无线充电系统功率传输效率有效的方法，将会进一步推进磁共振无线充电系统的实用化发展。