魯東興 趙瑩 張文哲

摘? 要：無線輸電技術，即不使用導線作為介質而實現將電能從供電端輸送到用電端過程的技術，這在醫(yī)療、電氣工程和軍事等方面有很關鍵的作用。文章基于無線電力傳輸原理，研究磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，在Matlab仿真軟件中對磁耦合機構進行仿真從而分析其特性。

關鍵詞：磁耦合諧振;無線電能傳輸;仿真

中圖分類號：TM724 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）30-0044-03

Abstract： Wireless transmission technology， that is， the technology of transmitting electric energy from the power supply end to the electricity terminal without using the wire as the medium， which plays a key role in medical， electrical engineering and military affairs. Based on the principle of wireless power transmission， this paper studies the magnetic coupling resonant radio energy transmission technology， and simulates the magnetic coupling mechanism in Matlab simulation software to analyze its characteristics.

Keywords： magnetic coupling resonance; radio energy transmission; simulation

1 背景

無線電能傳輸（WPT）近年來得到了廣泛的應用，其研究的主要目的是盡可能多地傳輸功率，盡管線圈之間的互感系數較低，但系統(tǒng)效率較高。目前主流的無線輸電方式是通過射頻微波輻射、強磁場電磁感應和弱磁場諧振磁耦合三種技術將電能轉換為其他能量進行輸送，之后再在接收端將其轉換為電能，其輸電方式有微波輻射式（MR-WPT）、電磁感應耦合式（MCI-WPT）、磁耦合諧振式（MCR-WPT），其中磁耦合諧振式是目前主要的無線輸電方式。

2 系統(tǒng)仿真

利用MATLAB軟件繪制SS型串聯諧振電路圖并在Simulink中進行仿真。用交流電源V1等效代替理想狀態(tài)下經發(fā)射端各級電路作用后輸出的高頻交流電能，f0為其頻率，L1、L2，R1、R2，C1、C2分別為諧振線圈的電感、高頻阻抗和補償電容，R3為負載等效電阻，k為諧振線圈耦合系數，f1、f2分別為發(fā)射端和接收端線圈的固有諧振頻率、f為系統(tǒng)諧振頻率。系統(tǒng)各參數設置為：

V1=11V，L1=L2=98μH，R1=R2=10？贅，C1=C2=10.1nF，R3=30？贅，k=0.1;此方案發(fā)射線圈和接收線圈的電感和補償電容都相同，可得系統(tǒng)發(fā)射端諧振頻率為f1=160kHz接收端諧振頻率為，f2=160kHz即接收端和發(fā)射端諧振頻率相同，可知該系統(tǒng)為諧振式耦合系統(tǒng)，諧振頻率為f=160kHz。

圖1中方框中部分為磁耦合諧振式無線充電的耦合機構部分， 該部分將電場能轉變?yōu)榇艌瞿?，利用LC諧振耦合實現電能傳輸。

圖2分別為諧振耦合環(huán)節(jié)原邊電流、副邊電流以及諧振耦合環(huán)節(jié)的輸出電壓。

對發(fā)射端電路各組成部分進行仿真模型搭建。為實現設計出逆變電路輸出占空比均為50%的方波。設置電源為220V工頻交流電源、變壓器變比311：13、整流橋后接濾波電容C=10nF、采用封裝模塊Universal Bridge搭建不可控整流橋和Mosfet逆變橋、封裝Pwm控制邏輯。并將各模塊輸出電壓進行測量采集后輸出給示波器。為獲得系統(tǒng)穩(wěn)定工作后的特性，設置仿真時間為0.01s。

發(fā)射端由市電輸入進行供電，經過工頻變壓器隔離后，在經過整流電路得到直流電壓。后級利用該直流電經過橋式結構，通過PWM控制形成方波輸入至無線充電的諧振耦合。系統(tǒng)采用開環(huán)控制，提供互補PWM驅動信號給到開關器件。

圖3分別為輸入電壓、整流后電壓以及諧振耦合環(huán)節(jié)的輸入電壓。

將接收端線圈接收到的高頻交流電能等效為交流電源，頻率為371.5kHz，用模塊Universal Bridge搭建不可控整流橋，濾波電容C=500μH，負載50？贅。

以理想電源模擬諧振環(huán)節(jié)的輸出，經過整流橋后經過電容濾波給負載供電。

圖4分別為輸出電壓與負載電流波形，經過一段時間后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

圖5分別為工頻變壓器副邊電壓以及諧振耦合環(huán)節(jié)的原邊電流。

系統(tǒng)在t=0～0.04s之間存在一個暫態(tài)過程，此過程中電源輸出功率波動極大。穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)穩(wěn)定正常運行。因此分析此過程中不同負載下的不同時間功率的傳輸效率，并測得系統(tǒng)數據如表1所示。

通過仿真可知系統(tǒng)在t=0～0.04s之間存在一個暫態(tài)過程，此過程中電源輸出功率波動極大。在t=0.04s之后，系統(tǒng)開始趨于穩(wěn)定。并測得系統(tǒng)的數據如表1所示。

為驗證負載的功率特性，設置負載為50？贅，仿真時間為0.1s。運行仿真可知，系統(tǒng)是在t=0.08s時開始趨于穩(wěn)定。測量得到表2中的各數據。

3 結束語

本次研究存在諸多不足。首先此方法依賴于仿真軟件，參數設置錯誤、不合理等情況對系統(tǒng)設計的影響極大，導致仿真?zhèn)鬏斝什桓?。在進行系統(tǒng)設計時未進行參數理論計算，以致無法實現理論計算與仿真結果的對比。最后，還未對系統(tǒng)進行電路設計及實驗驗證，也未能獲得系統(tǒng)的實際傳輸性能，因而不能實現實驗與仿真結果進的對比驗證。

因而在日后研究中應將系統(tǒng)的其余部分的設計作為研究方向對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，并探索系統(tǒng)設計較為便捷且高效率傳輸的方法，以實現整個系統(tǒng)參數的高效化和系統(tǒng)設計的簡潔化。

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