电场耦合式无线供电技术探索

刘伟

摘要：在当前我国科学技术水平不断提高的背景下，无线供电技术应运而生，对新能源、物联网、电子通信等行业都带来了新的突破点。根据无线供电技术的应用情况来看，主要原理是通过利用非辐射性的无线能量传输方式，驱动相关电器。电场耦合式作为无线供电技术中的一种形式，是在分布电容基础上产生的一种耦合方式，进而实现无线供电。本文主要探究了电场耦合式无线供电技术，希望能为我国无线供电领域的研究提供参考。

关键词：无线供电技术;电场;耦合式;电路模型

中图分类号： G632              文献标识码：A

在无线供电技术应用过程中，主要通过某种特定装置，将电能通过无线方式，传输给相关用电设备，是一种新型的电能传输技术。无线供电技术的应用改变了传统电能传输工作中对电缆等电力设备的依赖，能够有效降低电能传输成本，减少相关电力设备的安装与维护，实现移动式供电与特殊场合的供电。

1 电场耦合式无线供电技术的相关概述

根据无线供电技术的发展情况来看，最早是由尼古拉·特斯拉提出的供电方式，之所以至今还未得到广泛应用，主要原因是在无线电力传输时，电磁波在自由空间中的传输会导致能量不易集中，特别是对于微波而言，直接漫射在空间当中，导致本来不多的能量衰竭得更快。但是，随着科学技术水平的提高，目前在全世界范围内，无线供电技术已经成为各个国家的重要研究领域。根据我国无线供电技术的应用情况来看，对于该技术的研究主要集中在电波传导式无线供电技术、磁耦合共振式无线供电技术、电场耦合式无线供电技术。有关无线供电技术的应用，在小型家用电器、电动汽车等领域都得到了实验性质的应用[1]。在诸多无线供电类型中，电场耦合式无线供电技术作为一种新兴的无线供电方式，具有体积小、水平错位能力强、安全性高、电磁干扰小等特点，目前无线供电技术得到了社会各界的广泛关注。在我国，电场耦合式无线供电技术在信号传输方面已经有了较为深入的研究，但是在能量传输方面仍旧处于初步研究阶段，有关能量传输效率、传输功率还有待进一步的提高[2]。

2 电场耦合式无线供电系统的基本结构

由图1可知，电场耦合式无线供电系统主要由发射端与接收端构成。在发射端中包含电源Us与两个极板P1、P3。系统的接收端与发射端十分类似，也存在两个极板，分别为P2、P4，在两个极板连接中，存在负载RL。对于四个极板而言，在发射端的P1、P3为主动极板，其他极板为被动极板。在系统运行过程中，极板间会传输位移电流，电流通过极板P1后会以电场耦合的方式传输到P2，再传输到P4，电流最终会返回到P3极板中。这样一来这四个极板以及电源Us、负载RL会构成一个完整回路，最终保障电能能够实现无线传输[3]。

3 电场耦合式无线供电系统的抽象电路模型

根据电场耦合式无线供电系统的结构模型来看，可以利用该结构的工作原理，将整个系统结构抽象为电路模型。具体情况如下所示。

由图2可知，在无线供电系统运行过程中，（a）图里的Us、C1、C2、RL分别代表了交流电源，P1、P2组成的等效电容，P3、P4组成的等效电容，负载电阻。电路图显示，这些设备共同组成了一个串联回路。在无线供电系统运行过程中，如果需要考虑系统运行时产生的交流电压源、导线传输损耗现象，可以将其简化为（b），这是（a）的简化电路。其中Us、RL分别代表了无线供电系统运行时的交流电源、负载电阻。电路模型图中的C '、RZ主要代表了无线供电系统运行时的传输阻容抗，RZ代表了损耗等效电阻。常见的损耗等效电阻包含有辐射损耗、趋肤效应、电压源内阻等，C '主要代表的是C1、C2构成的等效容抗[4]。

4 理论分析计算

由上述内容可知电场耦合无线供电系统的实际运行过程，可以在此基础上对该等效电路模型开展分析计算工作。笔者根据自身经验，通过下述内容论述了有关电场耦合式无线供电系统运行时的具体情况。

电场耦合式无线供电系统在运行过程中，负载RL的电压可以用以下公式进行表示：

RL代表了电场耦合式无线供电系统运行时的负载电阻，其中Z代表了传输阻抗。等式当中的Us主要代表了系统运行时的交流电压源有效值。                            代表了无线供电系统的传输容抗。RZ代表了系统运行时的损耗等效电阻。该系统运行时获得的功率为传输功率，可以用以下公式进行表示[5]：

PL主要代表的是电场耦合式无线供电系统运行时的传输功率，UR主要代表了系统运行时负载两端获得的电压。RL代表了电场耦合式无线供电系统运行时的负载电阻，其中RZ代表系统损耗等效电阻。为系统运行时产生的传输容抗。在RL恒定的情况下，系统运行想要获得最大的传输功率，必須以传输阻抗为必要条件。如果不考虑系统运行时传输阻抗中的容抗部分无功功率，那么在RL恒定的情况下，Rz越小，系统运行效率越高。如果要考虑电场耦合式无线供电系统运行时无功功率条件下的传输效率，那么在RL恒定的情况下Rz越小，系统运行效率也越大[6]。

5 电场耦合式无线供电系统的优化升级以及仿真验证

在电场耦合式无线供电系统运行过程中，制约系统传输功率以及传播效率的主要因素为系统中的传输阻抗[7]。要想提高电场耦合式无线供电系统的传输功率以及传输效率，就需要从传输阻抗入手，降低传输阻抗，增加系统负载电阻，让负载电阻在运行过程中获得更多的电压，这对于提高电场耦合式无线供电系统运行效率来说是一种切实可行的方法。但是在此过程中需要注意的是，随着电场耦合式无线供电系统传输频率的升高，会导致相关辐射损耗以及趋肤效应愈发明显，带来的损耗电阻也会越来越大。

为了能够对电场耦合式无线供电系统运行情况开展计算和仿真对比工作，在系统运行过程中，我们将其最大传输功率设置为1 W，此时负载电阻为1Ω，交流电压源的有效值为1 V。如果要使电场耦合式无线供电系统运行时获得更大功率，那么需要增加交流电压源的电压有效值，这样才能确保电场耦合式无线供电系统稳定运行[8]。

通过对各种改进方法效果的对比，最终电场耦合式无线供电系统使用了下图中的基本电路模型。通过利用Matlab进行计算与分析，最终可以使用Multisim开展电路仿真验证工作。

图中U1代表交流电压源，C1、R2代表传输阻抗，R1代表系统负载电阻。具体电路模型元器件取值如图3所示。

6 电场耦合式无线供电系统的常见运行方法

根据电场耦合式无线供电系统的运行情况来看，常见的运行方法有变频法、阻抗变换法、串联回路谐振法以及综合法。不同的方法具有不同的特点，工作人员需要根据实际情况，采取科学合理的运行方法，为电场耦合式无线供电系统实现持续、稳定的运行奠定坚实的基础。笔者根据自身多年工作经验，通过下述内容详细论述了有关电场耦合式无线供电系统的常见运行方法。

6.1 变频法

在电场耦合式无线供电系统运行过程中，传输功率与传输效率本质上是关于频率的单调递增函数。在电场耦合式无线供电系统过程中，传输功率、传输效率会随着传输频率增大而升高。因此，想要提高系统的传输功率以及传输效率，可以通过提高传输频率的方式来实现[9]。

6.2 阻抗变换法

阻抗变换法指在电场耦合式无线供电系统运行过程中，利用变压器原理增加、降低阻抗的一门技术。根据阻抗变换法的实际应用情况来看，该技术既能够增加电场耦合式无线供电系统的输入、输出阻抗，又能够降低电场耦合式无线供电系统的输入、输出阻抗[10]。该技术目前在我国高压电网中应用较为广泛，主要应用于阻抗匹配网络以及功率放大器中。总的来说，阻抗变换法在相同传输频率下，线圈匝数的增多可能会提高整个系统的传输效率与传输功率。不过在此过程中需要注意的是，较多的线圈匝数在一定程度上会增加变压器的体积，进而导致变压器结构内的损耗不断增加，因此要合理设计线圈匝数，避免对电场耦合式无线供电系统运行带来负面影响[11]。

6.3 串联回路谐振法

串联回路谐振法指在电场耦合式无线供电系统当中，加入一个电感装置，使该电感装置与电容装置构成一个串联谐振电路。在系统运行过程中，谐振频率与传输频率相同时，串联电路会呈现出纯阻性，整个系统的阻抗会非常小，进而有效提高电场耦合式无线供电系统的传输效率与传输功率，为电场耦合式无线供电系统实现稳定持续的运行奠定坚实的基础[12]。在此过程中需要注意的是，在传输频率为谐振频率时，等效电容也随着系统中极板的改变而改变，谐振频率在此情况下也会发生改变。因为整个电场耦合式无线供电系统的电容较小，在较低频带上谐振发生对电感值的要求较大，因此单纯应用串联谐振可能无法满足电场耦合式无线供电系统的实际运行需求。

6.4 综合法

综合法便是将文中上述所有方法结合起来，一来能够有效吸收各种方法的优点，同时还能有效规避各种方法的缺点，提高电场耦合式无线供电系统的运行效率，降低系统的整体质量与体积，促使系统实用性不断提高。根据综合法在电场耦合式无线供电系统的应用情况来看，与变频法相比，该方法的传输频率更低;与阻抗变换法相比，该方法的变压器系统更小;与串联回路谐振法相比，该方法的串联电感值更小，但是通频带更宽。因此工作人员可以结合电场耦合式无线供电系统应用环境等情况，合理采用综合法来提高电场耦合式无线供电系统的实用性，为系统稳定运行奠定坚实的基础。

7 结语

综上所述，根据当前我国无线供电技术的研究情况来看，电场耦合式无线供电系统身为常见的无线供电技术类型，对于无线供电领域的研究具有十分重要的现实意义。在该系统运行过程中，常见的应用方法为变频法、阻抗变换法、串联回路谐振法以及综合法，工作人员需要根据电场耦合式无线供电系统的实际运行情况，合理选择应用方法，确保电场耦合式无线供电系统能够实现有效应用。

（责任编辑：陈之曦）

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