李 陽，楊慶新，陳海燕，閆 卓，張 獻(xiàn)，薛 明

(1.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建實(shí)驗(yàn)室，天津300130;2.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387;3.中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)，北京100823)

1 引言

擺脫有形介質(zhì)的束縛，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸是電能傳輸與接入的一種革命性進(jìn)步，也是人類多年的一個(gè)美好追求。無線電能傳輸技術(shù)始于1889年的美籍克羅地亞裔物理學(xué)家特斯拉的研究［1］，多年來國內(nèi)外的科學(xué)家執(zhí)著地開展了很多探索研究工作，但進(jìn)展緩慢［2-4］。近幾年，電磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)作為一種新興的無線能量傳輸技術(shù)迅速發(fā)展起來，并在無線能量傳輸領(lǐng)域引起巨大的反響，使無線能量傳輸技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的又一熱點(diǎn)問題。該技術(shù)思路最早是由MIT于2006年11月在美國AIP工業(yè)物理論壇上提出［5］，并于2007年進(jìn)行了基本的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［6］，并在《Science》雜志上發(fā)表題為《Wireless Power Transfer Via Strongly Coupled Magnetic Resonances》的文章。文章中指出該技術(shù)不僅能在幾米的距離傳輸能量，而且可以穿越木板、塑料、墻壁等障礙，在一定的距離傳輸較大的功率。

目前國內(nèi)外在電磁耦合諧振式無線電能傳輸方面進(jìn)行研究還處于起步階段，主要是功率、效率的分析和小功率的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［7-8］。目前關(guān)于阻抗匹配方面的研究工作主要有:文獻(xiàn)［9］分析了傳輸距離的變化會(huì)改變諧振頻率，提出了利用阻抗匹配的方法保持諧振頻率的方法。文獻(xiàn)［10］針對(duì)2.4GHz的目標(biāo)頻率，為提高交流(高頻)到直流的轉(zhuǎn)換效率提出了在微波天線和整流橋之間、整流橋與負(fù)載進(jìn)行阻抗匹配的設(shè)計(jì)方法。

這些研究對(duì)無線電能傳輸技術(shù)，尤其是對(duì)提高傳輸功率和效率起到了推動(dòng)作用，但目前還沒有分析系統(tǒng)自身阻抗對(duì)傳輸功率和效率的影響研究。因此本文在上述研究工作的基礎(chǔ)上，首先從無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)一步分析阻抗匹配的作用和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)阻抗的影響，并設(shè)計(jì)開發(fā)了無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證所提方法對(duì)提高移動(dòng)物體傳能功率和效率的效果。

2 電磁諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的阻抗分析

電磁諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)基本原理是利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的物體之間可以實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸，其工作頻率一般在射頻段。根據(jù)射頻最大功率傳輸定理可知:當(dāng)負(fù)載阻抗等于源阻抗的復(fù)共軛時(shí)，傳輸?shù)截?fù)載的功率最大，因此負(fù)載阻抗對(duì)射頻傳輸功率影響很大。同時(shí)當(dāng)負(fù)載不匹配時(shí)，會(huì)有部分功率反射，這也影響傳輸?shù)墓β屎托省?/p>

無線電能傳輸系統(tǒng)中為了使傳輸系統(tǒng)能將波源的功率有效地傳給負(fù)載，就必須使其阻抗匹配。如果阻抗不匹配造成很大的功率反射將會(huì)燒毀功率放大器，所以對(duì)于無線電能傳輸系統(tǒng)必須做到無反射匹配，但是理想的阻抗匹配實(shí)際中很難辦到，只要匹配在一定范圍內(nèi)即可。

電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)一般包括六個(gè)部分:正弦信號(hào)發(fā)生電路、寬帶線性功放電路、電磁發(fā)射系統(tǒng)、電磁接收系統(tǒng)、整流調(diào)壓系統(tǒng)和負(fù)載。由無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知:電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)以及整流調(diào)壓和負(fù)載可以看成寬帶線性功放模塊的負(fù)載。

圖1是無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路圖。VS為高頻電源;RS為電源內(nèi)阻;RL為負(fù)載電阻;Rrad1、Rrad2、Rrad3、Rrad4分別為激磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、負(fù)載線圈的輻射電阻;Rp1、Rp2、Rp3、Rp4分別為激磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、負(fù)載線圈內(nèi)由于集膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗電阻;L1、L2、L3、L4分別為激磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、負(fù)載線圈的電感;C1、C4分別為與激磁線圈、負(fù)載線圈串聯(lián)的電容;C2、C3分別為發(fā)射線圈、接收線圈上的分布電容;M12、M23、M34分別為激磁線圈與發(fā)射線圈、發(fā)射線圈與接收線圈、接收線圈與負(fù)載線圈之間的互感系數(shù)，為了便于分析，其余的互感忽略不計(jì)。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of wireless power transmission

負(fù)載線圈的阻抗:

當(dāng)工作在無線電能傳輸諧振頻率時(shí):

jωL4+=0，并令:R4=Rp4+Rrad4，得到:

負(fù)載線圈的阻抗等效到接收線圈側(cè)的阻抗為:

接收線圈阻抗為:

同理可得發(fā)射線圈阻抗為:

同理可得激磁線圈阻抗(即功率放大器的總負(fù)載)為:

由式(6)可知:Ztotal=Z1=f(f，M12，M23，M34，RL)，即功率放大器的終端負(fù)載是一個(gè)關(guān)于五個(gè)參數(shù)(頻率 f、互感系數(shù) M12、M23、M34、負(fù)載 RL)的多變量的函數(shù)。通過改變上述五個(gè)參數(shù)的大小必然會(huì)影響傳能系統(tǒng)的阻抗，因此上述五個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的傳輸功率和效率影響很大。本文下面將通過實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究 f、M12、M23、M34、RL五個(gè)參數(shù)對(duì)無線電能傳輸功率和效率的影響，從而對(duì)提高功率和效率的設(shè)計(jì)提供參考。

3 實(shí)驗(yàn)研究與分析

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，本文開發(fā)了電磁耦合諧振式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示，其中電磁發(fā)射、接收系統(tǒng)由螺旋線圈組成。

3.1 頻率f對(duì)傳輸功率和效率的影響

在圖2的實(shí)驗(yàn)裝置中，在發(fā)射線圈和接收線圈20cm時(shí)，負(fù)載為50Ω純阻性負(fù)載，改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，調(diào)節(jié)功率放大器的總負(fù)載，得到功率和效率隨著頻率的變化情況，如圖3所示。

圖2 無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment device of wireless power transmission

圖3 頻率對(duì)傳輸功率和效率的影響Fig.3 Relation between frequency and power/efficiency

由圖3可知:隨著頻率的增大無線電能傳輸?shù)墓β屎托氏仁窃龃箅S后又減小，并且在頻率為8.6MHz時(shí)功率和效率達(dá)到最大值。這說明頻率對(duì)負(fù)載阻抗影響較大，調(diào)整頻率改變負(fù)載阻抗值可以使得功放模塊的輸出功率達(dá)到最大值。由于此時(shí)的輸出功率最大，那么反射功率就會(huì)降到最低，這樣功放模塊上的熱損減小，所以此時(shí)的效率也最大。

3.2 M23對(duì)傳輸功率和效率的影響

在圖2的實(shí)驗(yàn)裝置中，負(fù)載為50Ω純阻性負(fù)載，信號(hào)發(fā)生器頻率固定為8.6MHz時(shí)，改變發(fā)射線圈和接收線圈的距離得到功率和效率隨著M23的變化情況，如圖4所示。

由圖4可知:隨著線圈間距離的增大無線電能傳輸?shù)墓β屎托氏仁窃龃箅S后又減小，并且分別在距離為15cm和20cm時(shí)效率和功率達(dá)到最大值。這說明距離對(duì)負(fù)載阻抗影響較大，調(diào)整距離改變負(fù)載阻抗值可以使得功放模塊的輸出功率達(dá)到最大值。

3.3 RL對(duì)傳輸功率和效率的影響

圖4 傳輸距離對(duì)傳輸功率和效率的影響Fig.4 Relation between distance and power/efficiency

在圖3的實(shí)驗(yàn)裝置中，在發(fā)射線圈和接收線圈20cm時(shí)，信號(hào)發(fā)生器頻率固定為8.6MHz時(shí)，改變負(fù)載大小得到功率和效率隨著RL的變化情況，如圖5所示。

圖5 負(fù)載對(duì)傳輸功率和效率的影響Fig.5 Relation between load and power/efficiency

由圖5可知:隨著負(fù)載的增大無線電能傳輸?shù)墓β屎托手饾u減小。說明負(fù)載阻值越小得到的無線電能傳輸?shù)墓β屎托室簿驮酱蟆?/p>

3.4 M12與M34對(duì)傳輸功率和效率的影響

在圖3的實(shí)驗(yàn)裝置中，負(fù)載為50Ω純阻性負(fù)載，信號(hào)發(fā)生器頻率固定為8.6MHz時(shí)，發(fā)射線圈和接受線圈的距離為20cm時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈的電壓波形如圖6中(a)所示。如圖3所示通過調(diào)節(jié)激磁線圈和發(fā)射線圈的距離改變 M12的值;通過調(diào)節(jié)接收線圈和負(fù)載線圈的距離改變M34的值分別得到圖6中(b)、(c)所示發(fā)射線圈和接收線圈的電壓波形。

由圖6可知:在其他條件保持不變的情況下，調(diào)節(jié)M12使得接收線圈的電壓由26.2V升到33.6V;調(diào)節(jié)M34使得接收線圈的電壓由33.6V升到34.7V。進(jìn)一步說明 M12和 M34對(duì)負(fù)載阻抗有一定的影響，調(diào)節(jié)它們的大小可以提高功放模塊的輸出功率。

圖6 不同情況下發(fā)射線圈和接收線圈的電壓Fig.6 Voltage of transmitter and receiver in different conditions

4 結(jié)論

理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明阻抗匹配對(duì)無線電能傳輸功率和效率影響很大。進(jìn)行有效的阻抗匹配，可提高傳輸功率和效率。頻率 f、互感 M12、互感M23、互感M34、負(fù)載RL五個(gè)參數(shù)影響阻抗大小，改變這五個(gè)參數(shù)的大小直接影響無線電能傳輸功率和效率。

在工程應(yīng)用中，綜合調(diào)整、優(yōu)化上述五個(gè)參數(shù)可使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)功率和效率達(dá)到最佳。

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