磁耦合谐振式无线电能传输方法研究

聂彬彬，聂丹凤

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引言

在电能产业快速稳步发展的大时代下，无线电能传输技术，因其特有的便捷形式，将会是未来时代的主流研究方向[1]。目前无线电能传输主要是借助于电磁感应、电磁谐振、电磁辐射这三种不同形式来实现能量的传送。此三种方案都不需要导线相连接，旨在打造安全、可靠的全新电能传输方式[2]。但在三者当中，电磁辐射方法损耗巨大、效率不高；电磁感应方法在传送距离方面又会受到较大程度的限制；磁场耦合谐振方式能够避免这些缺点。在众多可能实现电能无线输送的方法当中，磁耦合谐振式无线电能传输是一项比较新的方案，但具有传输过程更加安全可靠的优点[3]，因此具有极其光明的技术前景，有望改变人类未来的生活方式[4－5]。

2 技术原理

2.1 磁耦合谐振技术

通过磁场耦合电磁谐振的方式，可进行中、短距离的无线电能传送。在实际工作中，有着相同大小的固有频率的线圈以磁场为载体互相耦合，实现电能的传输，传输长度范围大约在5厘米到2米之间，并能穿越非磁性物质材料。

以这一方式具体可以实现的有效传递距离与谐振频率有很大关系。电能以磁场为介质通过谐振也可以将能量高效率传输到相对远一点的位置，磁耦合谐振式无线电能传输由此得名，其技术原理如图1所示。

图1 磁耦合谐振式无线电能传输技术原理图

图中，s为一次侧线圈，a为一个交流高频电路，d为接收端设备线圈，b为电阻负载电灯。适当的电源频率使得线圈s和d通过电路中电感和补偿电容在系统中发生共振，电能以高频交流电的形式传到发射线圈s。由于发射端和二次侧接收端有着同样的谐振频率，发射线圈与接收线圈产生谐振，使得接收与负载电路b通电，完成电能传递。K、KS与KD都是用来表示不同距离上的磁耦合谐振系数。

在空间中的两个相距一定距离的LC线圈，彼此之间的耦合很弱。但假若两个系统谐振频率一样，则会产生磁场的耦合谐振，组成另一个新的电磁谐振电路。拓展到更多谐振线圈，在一定的使能距离上，同样可以加到这个系统中来。倘若存在着电源持续地给此谐振系统供电，负载侧消耗些许能量，便可维持此能量传递过程持续进行。

在一次侧和二次侧加入品质因数较高的RCL谐振电路是这种传输方式的技术关键点，起到的作用是分别构成发射和接收谐振电路。磁场耦合与电路的谐振是该技术能够进行能量传输的两个不可缺少的条件，而磁场耦合的效果和程度和一次侧、二次侧线圈在空间的位置相关[6－9]。

2.2 电路模型理论分析

运用基尔霍夫的回路概念出发，搭造谐振电能传送系统模型如图2所示。依据互感参数将一次侧、二次侧线圈耦合起来。按照基尔霍夫定律列出电路方程，即可对无线电能传送系统的能量传递效率及功率定量分析。

图2 谐振电能传输系统模型

图2模型的等效电路图如图3所示。图中：Us接近理想电压源；L1、L2为一、二次侧线圈；R1、R2为高频下寄生电阻；RL为负荷电阻；C1、C2是一、二次侧电路调谐电容；I1、I2是发射、接收电路中的电流；M为两线圈之间的互感。

图3 谐振电能传输系统等效电路

电路工作时，谐振在发射端回路和接收端回路中发生，当达到电磁共振条件时，无线电能传递效率达到最大值[10]。

3 系统硬件设计

在上述理论的基础上，实际搭建硬件系统。硬件部分包括直流电源、逆变电路、驱动电路、信号发生电路、发射与接收电路、整流电路及负载等。系统框图如图4所示。

图4 无线电能传输系统示意图

对系统各主要部分的硬件设计考虑归纳如下：

(1)逆变电路设计

由于振荡电路的输出电流和电压很小，有时需要在振荡电路和MOS管输出电路之间添加一级驱动电路。常用的高频率逆变电路包括：半桥逆变电路、正激逆变电路、全桥逆变电路、反激逆变电路、E类逆变电路等[11]，应按具体设计要求加以选用。

(2)发射、接收线圈设计

此处发射回路被设计为串联式谐振电路，此结构较为便于分析。在接收到逆变电路发射过来的高频交流电后，发射线圈需要最大限度地将交流电能转化为空间发射的磁场能量；而接收线圈则需要最大限度地将空间的磁场能量转化为高频的交流电。这就需要线圈一次侧与二次侧的磁耦合谐振。二次侧接到整流装置与滤波电路中，可以使负载得到接近直流的电能。可依据实际传输效果选择是否添加稳压二极管。

(3)整流电路设计

整流电路、滤波电路与稳压电路共同构成整流调压系统。在无线电能传输系统中，二次侧接收由磁场谐振传来的高频交流电能时，需要整流AC/DC模块来改变电流的性质，然后将直流电接到适用的负载上。

全桥整流电路能在交流电压的全部周期上进行整流。其输出电压相对较高、脉动较小，电路效率高，也可以提供二极管保护。在此即采用全桥整流电路作为系统的整流电路。

(4)滤波电路设计

作为整流调压系统的另一构成部分，滤波电路的作用是将整流过来的电流进行再次处理。由于电流经过整流后会产生谐波，导致直流电不平稳，其带有的谐波分量会损毁直流负载，因此需要加入滤波电路，使负载侧得到相对平稳的直流电。

滤波电路分为有源滤波和无源滤波。无线电能传输系统对电压信号处置精度要求不高，可以忍受信号波动；而有源滤波强调对信号处理的精度。因此在此使用无源滤波电路作为整流模块。

(5)稳压电路

稳压电路的选用要视滤波电路后的具体的电压波形而定。如果经过滤波电路的电压波形还是存在瑕疵，则需要在负载两端加上稳压电路。如果滤波后的电压波形相对理想，同时考虑到稳压二极管的功耗会降低系统传输效率，此处也可考虑省去稳压电路。

4 仿真验证

基于上述硬件设计，使用PSpice软件对系统进行仿真实验，验证谐振与非谐振两种情况下的电压电流波形以及能量传输效率[12-13]。在仿真中，系统谐振频率设置为1.5MHz。部分仿真结果如图5所示。由仿真结果可见，在谐振情况发生时，一次侧线圈电压接近100V，出现此现象的原因是串联谐振系统呈纯阻性，体现出去电路的升压作用，使得电压波形良好，据观察相当接近于正弦波。仿真中，二次侧线圈电压10.5V，负载功率稳定在2.1W。当改变条件使二次侧非谐振时，线圈电压最大值只有5.5 V，负载功率稳定时只有500 mW，说明系统在谐振时传递能量快，在单位时间内一、二次侧电路谐振时传递能量多，系统发生谐振时能量传输效率最大，完全符合理论预期。

图5 PSpice仿真波形

5 结束语

基于对原理的简介，对磁耦合谐振式无线电能传输方法进行了简明扼要的描述，研究涵盖相关硬件系统设计中的几个重点并随之进行了仿真实验，设计中考虑到的预期规律在仿真中得到了印证。在使用同类方法的具体设计过程中，可针对每一具体设计目标和应用场合仔细论证，灵活调整。无线电能传输技术尚有长远的发展道路要走，本研究可为这一划时代科技探索历程提供些许参考。