基于中继线圈的无线电能传输技术拓扑结构的研究

2021-04-24毛珍珍胡汴攸

科学技术创新 2021年8期

毛珍珍胡汴攸

（江苏师范大学中俄学院，江苏徐州221116）

1 概述

2006 年11 月, 美国麻省理工学院Marin Soljacic 教授于在美国AIP 工业物理学论坛上明确提出磁共振式无线能量传输技术[1], 并且理论上论证了该技术用于传递能量的可行性，在2007 年进行了基本了实验验证[2]，技术被定名为“Witricity”。MIT于2009 年3 月在物理学年报(Annals of Physics)上发表了磁共振式无线能量传输技术研究方面的新成果[3],该文描述了另一种传统的能量传输机制，在能量流发生的第三个相同谐振体之后，这一机制提高了系统的效率。MIT 最新的研究成果是发表于2010 年1 月份应用物理学期刊(Applied Physics Letters)上关于中距离多接收装置同步供电系统的文章[4]。

现在很多国内的研究机构都在研究磁共振无线能量传输技术，在2008 年以来，一个由哈尔滨工业大学朱春波教授带领的研究小组一直在进行一系列的基础研究，对中频谐振系统的电路理论和电磁波分析[5]，已确定了最佳的连接条件，实验采用集中参数元件构成谐振体，能在70cm 传输距离下实现23W 的能量传输。华南理工大学张教授领导的研究小组从理论角度分析了谐振耦合的工作原理，得到了无线能量传输及传输效率与距离、频率、线圈参数之间的关系，提出了获得最大传输效率的条件及优化设计方法，并用实验进行了验证[6]。

基于谐振变换器的设计方法和LC 串联谐振和并联谐振的概念，文献[7]提出串- 串(Series-Series, SS)、串- 并(Series-Parallel, SP)基本补偿结构、拓扑结构以及相关的参数设计方法简单，这两种经典的基本的二阶补偿广泛应用于WPT 系统，但是仍然存在一些问题。感应充电相比较传导充电，能量损失较多。由于感应充电耦合器是以电磁感应的方式传递能量，故能量耗散不可避免，导致传输效率有所下降。

无线充电系统中感应的两个线圈之间的互感值不但与两个线圈的线径、半径和匝数有关，还取决于两个线圈之间的轴向距离。两个线圈之间的轴向距离越小，互感值越大，反之两个线圈之间的轴向距离越大，互感值越小。研究如何确保高传输效率和传输电力系统,可以有效提高系统的传输距离,提出了增加发射线圈和接收线圈之间的循环, 通过减短相邻线圈之间的距离,增加相邻线圈间的互感设计来提高系统的整体传输效率，不仅可以提高系统的传输距离，还可以进一步提高系统的传输性能。引入中继线圈的三线圈结构相比较于经典两线圈无线电能传输系统，传输距离更远和系统传输效率更高[8]，该系统在远距离的效率提升达23%。使基于磁共振WPT 的系统更适用于人们的实际生活。

因此本文先基于传统的发射—接收两级线圈的谐振结构上，针对两线圈模型串- 串、串- 并传统补偿拓扑系统分别进行研究，不同的拓扑结构适应不同的参数要求，为了使得无线充电系统更广泛的应用在不同的移动设备端，并提高功率传输效率以及增大传输距离，在两种拓扑中加入中继线圈，中继线圈在发射线圈和接收线圈的能量传输过程中作为能量中转站，实现发射- 中继- 接收，分析带有中继线圈的可行性，在分别在带有中继线圈的三线圈系统SSS、SSP 补偿拓扑系统进行输出功率以及传输效率的数值计算、分析、对比。

2 基于中继线圈的无线电能传输技术理论分析

由于接收端可能是不同的智能移动设备，因此接收端在不同的应用场合负载参数可能会不一致，因此本论文只对副线圈的拓扑方式进行分析与研究。对副线圈电容、电感串并连接方式，电压源供电的传输系统的三线圈的耦合拓扑结构可以划分成:串- 串- 串（SSS）、串- 串- 并（SSP）方式。

带有中继线圈的三线圈系统串- 串- 串（SSS）如图1 所示。再针对带有中继线圈的补偿拓扑进行研究，其中U1为交流电源,L1、L2、L3分别为发射线圈、中继线圈和接收线圈的电感值，R1、R2、R3分别为线圈的等效电阻，C1、C2、C3分别为各级谐振线圈所匹配的谐振电容,M12、M13、M23分别为L1和L2,L1和L3,L2和L3之间的互感，流经各谐振线圈的电流分别为i1、i2、i3。由于发送端与接收端距离较远，在这种情况下，发送线圈与接收线圈之间的耦合几乎可以忽略不计。所以，为了计算方便，本文中忽略M13互感耦合。

为了探究三线圈系统在谐振状态下的传输效率，所以将系统设置在谐振频率下工作，使系统工作在谐振状态。根据电路的基尔霍夫定律，可得：

其中ω 是系统的谐振频率，M是线圈间互感系数，假设所有线圈的电阻取值相同，R1=R2=R3=R。发射线圈、中继线圈和接收线圈的电流方程分别（2）和（3）所示：

因此，传输效率为（6）所示：

带有中继线圈的三线圈系统串- 串- 并（SSP）补偿拓扑，其中发射线圈和中继线圈采用串联的谐振网络，接收线圈使用RC 并联谐振网络，如图2 所示。同样在分析时，仍然忽略发送端与接收端的互感耦合M13。

图2 基于中继线圈的SSP 拓扑结构电路原理据电路的基尔霍夫定律，可得：

可得发射线圈和接收线圈的电流方程分别（8）和（9）所示：

由此，可得输入功率和负载输出功率分别为（10）和（11）所示：

因此，传输效率为（12）和（13）所示：

图3 SSS 与SSP 拓扑结构Pspice 仿真模型

通过SSS 与SSP 拓扑结构的接收端的负载功率公式对比分析可得，当接收端的负载值较大时，SSP 拓扑结构的输出功率较高。当发送端与中继线圈的传输距离较大时（M12较小），SSS 拓扑结构可以获得更高输出功率。下面从传输效率的角度进行分析，当负载值较大时，SSP 拓扑结构的传输效率更高，反之，SSS拓扑结构传输效率高。

3 基于中继线圈的接收端串并联仿真与结果分析

前面我们对带有中继线圈的补偿拓扑系统的无线电能传输系统进行了初步的理论分析，为了能更直观的体现出本文提出的无线电能系统的传输特性，采用Pspice 软件对传输系统的电路进行仿真分析研究。根据发送端到中继线圈、以及中继线圈到接收线圈传输距离的设定，分别为15 厘米与12 厘米，通过空间位置以及线圈尺寸的模型结构，可以估算出耦合因数k1=0.102，k2=0.141。

电压源供电的SSS 结构的Pspice 仿真电路图如图3 所示。为了方便分析，该系统中的三个线圈均采用相同的绕制方法，因此三个线圈的参数一样，即，R1=R2=R3=5Ω，L1=L2=L3=160μH，C1=C2=C3=2.34nF，Rs=1.62Ω，负载电阻RL=60Ω。

通过公式可知负载与传输效率之间的关系，在仿真中，我们通过改变负载的阻值来观察不同连线方式的接收端传输效率的变化。根据分析可知，在基于中继线圈的无线电能传输系统中，当ωL/RL>1 时，接收端串联的效率更高，当ωL/RL<1 时，接收端并联的效率更高。

当ωL/RL>1 时，接收端串并联仿真波形图如图4 和如图5所示（WV2为输入功率，WRL为输出功率）。由图4 和图5 分析可知，SSS 拓扑结构的传输效率达到59.52%，相较于SSP 拓扑结构的16.67%。因此在负载电阻较小的情况下，此仿真中取值为60Ω，SSS 拓扑结构传输效率更高。

当ωL/RL<1 时，接收端串并联仿真波形图如图6 和如图7 所示（WV2为输入功率，WRL为输出功率）。SSS 结构的传输效率接近40%，而SSP 结构的传输效率达到45%，因此在负载较大的情况下，此仿真中取值为200Ω，SSP 拓扑结构的无线电能传输系统传输效率较高，这与分析的理论值一致。

4 结论

针对无线电能传输系统传输距离不够远以及传输效率不高的问题，加入中继线圈可以改善这种情况。而不同的拓扑结构可以使得无线电能传输的应用更适用于多种多样的智能终端设备。因此本文在不同的拓扑结构中加入了中继线圈，既提高了传输距离与效率，并且无线电能传输系统的应用更加灵活与方便可靠，又提高了系统鲁棒性。本文基于中继线圈的无线电能传输技术的研究，主要研究两线圈的结构中在加入中继线圈后不同接线方式下的接收端的输出功率与系统的传输效率。通过理论分析计算，找到SSS 与SSP 在不同参数的条件下输出效率的不同，并利用Pspice 软件对其进行电路仿真，得到输入输出功率，进而再针对不同接线方式下的接收端的传输效率进行对比分析，在负载较小的情况下，SSS 结构模型具有更高的传输效率，而负载较大的情况下，SSP 拓扑结构传输效率略高于SSS 结构无线电能传输模型。