徐 棟，王冬青

（1.青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島 266071；2.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

無(wú)線充電技術(shù)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，它使用戶能夠像通過(guò)空氣傳輸數(shù)據(jù)一樣方便地對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電。無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展消除了電力傳輸對(duì)物理導(dǎo)體的依賴，從而大幅度減少其產(chǎn)生的大量電子廢物[1～3]。

目前，無(wú)線充電技術(shù)主要分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)兩種。遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)是利用電磁波或無(wú)線電頻率廣播進(jìn)行傳播，其傳輸能量的方式與無(wú)線電傳輸信號(hào)的方式相同[4]。遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)允許在大范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸功率，但它有幾個(gè)局限性，如傳輸功率和效率低以及會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。

近場(chǎng)技術(shù)主要分為感應(yīng)耦合技術(shù)和磁共振技術(shù)。感應(yīng)耦合技術(shù)的工作距離通常小于發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)，但由于發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合不足，因此具有傳輸范圍小的限制（約幾厘米）[2]。

磁共振無(wú)線充電技術(shù)比傳統(tǒng)的感應(yīng)耦合技術(shù)更高效，可以在更長(zhǎng)的范圍內(nèi)進(jìn)行功率的傳輸。磁共振無(wú)線充電技術(shù)最初是基于耦合模理論提出的，耦合模理論證明了磁共振技術(shù)可以在大耦合距離下提高功率傳輸效率[5]。磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)在小型無(wú)線電源、非接觸式充電電動(dòng)汽車、醫(yī)療保健設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。但在此類應(yīng)用中，接收裝置相對(duì)于發(fā)射裝置的范圍和方向會(huì)在用戶使用過(guò)程中不斷變化[2]，這導(dǎo)致功率傳輸效率不能始終保持最大值。為了滿足磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)功率傳輸效率的要求，本文主要從自動(dòng)頻率調(diào)諧、阻抗匹配、線圈配置等幾個(gè)方向進(jìn)行分析，對(duì)提高功率傳輸效率的方法進(jìn)行總結(jié)。

1 系統(tǒng)概述

圖1為磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成，發(fā)射端包括交流電源、整流器、DC/DC升壓變換器、逆變器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射線圈，接收端由接收線圈、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流器和負(fù)載組成。在發(fā)射端，交流電源通過(guò)整流器整流成直流；DC/DC升壓變換器增加直流電源的電壓；逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源，為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射線圈提供電能。為了最大限度地提高功率傳輸效率，需要對(duì)接收端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)諧，使其具有與發(fā)射端相同的諧振頻率，從而在發(fā)射線圈和接收線圈之間產(chǎn)生共振。然后接收線圈通過(guò)兩個(gè)線圈之間的相互耦合的電感從發(fā)射線圈接收電能。最后電能經(jīng)過(guò)整流電路對(duì)負(fù)載或設(shè)備進(jìn)行充電。

2 功率傳輸效率的提高方法

圖1 磁共振WPT系統(tǒng)示意圖

對(duì)于兩線圈磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)，功率傳輸效率受線圈間耦合系數(shù)、線圈品質(zhì)因數(shù)、工作頻率、負(fù)載等因素的影響[3]。

2.1 阻抗匹配

對(duì)于雙線圈磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)，由于線圈間具有漏感，實(shí)際負(fù)載值并不總是等于理想值，因此需要設(shè)計(jì)阻抗匹配電路以匹配實(shí)際負(fù)載和理想負(fù)載之間的阻抗[7]，使系統(tǒng)獲得最大的功率傳輸效率。在發(fā)射端采用阻抗匹配技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓和輸入電流的零相位角，不需要電源提供無(wú)功功率，即電源的視在功率等于有功功率。在接收端，通過(guò)阻抗匹配技術(shù)可以使其具有與發(fā)射端相同的諧振頻率，從而最大限度地提高功率傳輸效率。此外，阻抗匹配技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)功率晶體管的軟開(kāi)關(guān)，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。阻抗匹配技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓充電，即輸入電壓值固定時(shí)，輸出的直流電流或直流電壓固定。

阻抗匹配電路具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用線性負(fù)載分析或數(shù)值分析方法可以方便地設(shè)計(jì)電路參數(shù)。圖2為阻抗匹配電路的四種基本補(bǔ)償拓?fù)?，即SS、SP、PS和PP。其中，“S”或“P”分別代表補(bǔ)償電容和線圈之間串聯(lián)或并聯(lián)。

圖2 四種基本補(bǔ)償拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[8]研究了四種基本補(bǔ)償拓?fù)洌麄冏C明了PS和PP補(bǔ)償拓?fù)渲械陌l(fā)射端補(bǔ)償電容Ct與線性負(fù)載有關(guān)。在這種情況下，當(dāng)線性負(fù)載值變化時(shí)，發(fā)射端電容Ct必須重新設(shè)計(jì)才能保證得到最大的功率傳輸效率。而在SS和SP補(bǔ)償拓?fù)渲?，發(fā)射電容Ct是獨(dú)立于線性負(fù)載的。因此，SS和SP補(bǔ)償拓?fù)涓m合于可變線性負(fù)載條件。

圖3 雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)?/p>

密歇根大學(xué)的研究人員[9]提出了一種新的阻抗匹配技術(shù)——雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)洹ＥcSS補(bǔ)償拓?fù)湎啾?，雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)湟肓藘蓚€(gè)補(bǔ)償線圈來(lái)補(bǔ)償耦合線圈所產(chǎn)生的消耗。如圖3所示，補(bǔ)償線圈L1與接收端的電容C1共振，Lr和Cr結(jié)合起來(lái)與C2產(chǎn)生共振，因此共振頻率與負(fù)載條件和耦合系數(shù)無(wú)關(guān)。由于雙邊補(bǔ)償拓?fù)涞膶?duì)稱性，在接收端L2與C2發(fā)生共振，Lt和Ct與C1發(fā)生共振。雙面LCC補(bǔ)償拓?fù)浔ＷC了系統(tǒng)的共振振頻率與負(fù)載條件和線圈間耦合系數(shù)無(wú)關(guān)。因此，當(dāng)Us固定時(shí)，輸出功率是恒定的。文獻(xiàn)[10]將補(bǔ)償線圈集成到雙線圈系統(tǒng)中，可以提供6KW的負(fù)載功率，在150mm的工作范圍內(nèi)達(dá)到95%以上的功率傳輸效率。文獻(xiàn)[11]使用基于LCL-T的阻抗匹配電路，使得穩(wěn)態(tài)輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)。文獻(xiàn)[12]提出了一種新型的S-CLC補(bǔ)償拓?fù)?，它由一個(gè)補(bǔ)償電感和三個(gè)補(bǔ)償電容組成，允許恒壓輸出和零相位切換。盡管補(bǔ)償方法多種多樣，但很少有人考慮非線性整流負(fù)載的補(bǔ)償方法。在許多應(yīng)用中，如電動(dòng)汽車和手機(jī)無(wú)線充電，無(wú)線充電系統(tǒng)的輸出電路總是使用整流電路將高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電，因此會(huì)使在電路中引入非線性元素。對(duì)于非線性整流負(fù)載，阻抗匹配設(shè)計(jì)比線性負(fù)載更為復(fù)雜。整流負(fù)載的等效阻抗值不僅受其參數(shù)的影響，而且受前置阻抗匹配電路的影響，不能簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)化為線性阻抗[3]。因此，在整流負(fù)載下，接收線圈阻抗匹配電路參數(shù)的設(shè)計(jì)比較困難。文獻(xiàn)[3]推導(dǎo)了基于基本元件的整流器負(fù)載等效阻抗計(jì)算方法，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電系統(tǒng)的最大功率傳輸效率。

2.2 共振頻率自動(dòng)跟蹤方法

磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)存在兩種共振頻率，一種為系統(tǒng)固有的諧振頻率，它與線圈及補(bǔ)償電容的參數(shù)有關(guān)；另外一種為兩個(gè)線圈相互耦合作用下的共振頻率，它與線圈間的耦合強(qiáng)度有關(guān)。通過(guò)將系統(tǒng)的工作頻率調(diào)整至系統(tǒng)固有諧振頻率或線圈耦合作用下的共振頻率，可以提高無(wú)線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率。文獻(xiàn)[13]給出了一種自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)固有諧振頻率的方法，該方法可以在固定工作頻率下提高無(wú)線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率。然而，該方法的實(shí)現(xiàn)要求發(fā)射端和接收端的電路參數(shù)準(zhǔn)確，而且需要兩端的固有諧振頻率保持一致。調(diào)整系統(tǒng)共振頻率以實(shí)現(xiàn)輸入電壓和電流的零相位角或?qū)崿F(xiàn)最小反射系數(shù)，也可以提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。在文獻(xiàn)[14]中，通過(guò)推導(dǎo)輸入電壓和電流零相位角頻率的計(jì)算公式，提出了一種自動(dòng)跟蹤共振頻率來(lái)提高系統(tǒng)功率傳輸效率的方法。然而，這些方法需要獲得關(guān)于發(fā)射線圈和接收線圈之間耦合系數(shù)的信息，增加了實(shí)際應(yīng)用的難度。

2.3 提高線圈間耦合系數(shù)

當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)越大時(shí)，無(wú)線充電系統(tǒng)的功率傳輸效率就越大。因此，可以通過(guò)增強(qiáng)線圈間的耦合系數(shù)開(kāi)提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。

耦合系數(shù)是關(guān)于兩個(gè)線圈之間的互感強(qiáng)度的函數(shù)，它與線圈間的互感強(qiáng)度成正比。而線圈間的互感強(qiáng)度與線圈所包圍的磁通量成正比。線圈所圍成的區(qū)域越大則通過(guò)線圈的磁通量就越大，因此線圈間的互感強(qiáng)度與線圈幾何形狀有關(guān)。另外，互感強(qiáng)度也與線圈所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。因此，為了增強(qiáng)線圈之間的耦合系數(shù)，可以對(duì)線圈的幾何形狀和磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行研究。

通常，耦合系數(shù)與相互作用線圈的幾何形狀直接相關(guān)，這意味著可以通過(guò)使用更大的線圈來(lái)增強(qiáng)兩個(gè)線圈之間的耦合。但是在實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì)由于空間等原因限制線圈的尺寸。因此，線圈設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)通常是通過(guò)選擇適當(dāng)數(shù)量的線圈匝數(shù)、匝間距和匝間寬度，來(lái)最大化給定幾何形狀的線圈的導(dǎo)體長(zhǎng)度。

增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度是一種被廣泛應(yīng)用于短距離無(wú)線充電系統(tǒng)的提高耦合系數(shù)的方法。典型的技術(shù)包括使用鐵氧體材料來(lái)改變發(fā)射線圈中激勵(lì)磁場(chǎng)的分布。鐵氧體通常具有高磁導(dǎo)率和相對(duì)低的渦流損耗，可將激勵(lì)磁場(chǎng)定向到預(yù)期的耦合方向。因此，無(wú)線充電系統(tǒng)的線圈大多應(yīng)用鐵氧體磁芯發(fā)射線圈，鐵氧體板和鐵氧體片接收線圈[15,16]。

除此之外，由于激勵(lì)磁場(chǎng)的強(qiáng)度隨距離的增加而減小，線圈間的耦合系數(shù)還與線圈間的距離有關(guān)。因此，磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)的耦合系數(shù)的提高需要考慮線圈之間的距離和磁場(chǎng)強(qiáng)度的組合影響，才能更好地提高系統(tǒng)在長(zhǎng)工作距離下的功率傳輸效率。

2.4 提高線圈的品質(zhì)因數(shù)

磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)存在一個(gè)臨界耦合點(diǎn)，當(dāng)耦合系數(shù)大于臨界耦合點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸效率，且功率傳輸效率接近恒定不變。而當(dāng)耦合系數(shù)小于臨界耦合點(diǎn)時(shí)，隨著耦合系數(shù)地減小，功率傳輸效率急劇下降。因此，盡可能地最小化臨界耦合點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。臨界耦合點(diǎn)與線圈的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，線圈品質(zhì)因數(shù)越高，臨界耦合點(diǎn)越小，提高線圈的品質(zhì)因數(shù)可以增大系統(tǒng)的工作范圍并實(shí)現(xiàn)接近恒定的最大傳輸效率。

品質(zhì)因數(shù)表示線圈的電抗部分與線圈本身的電阻部分的比率，其描述了線圈中的峰值能量與每個(gè)周期的能量消耗之間的關(guān)系。因此，可以使用具有高電抗比的線圈設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)線圈。通常，增加線圈品質(zhì)因數(shù)的方法是增加線圈的電感，同時(shí)限制寄生電容以實(shí)現(xiàn)高線圈電抗，并使用高導(dǎo)電材料制造線圈以減少線圈的線圈電阻。

實(shí)現(xiàn)高線圈電抗的方法是設(shè)計(jì)具有合適匝數(shù)，導(dǎo)體直徑和匝間空間的線圈。通常，線圈匝間的間隔緊密、線圈導(dǎo)體的直徑小可以增加線圈自感。文獻(xiàn)[17]中提出使用雙匝布局，可以增加平面線圈上的匝數(shù)。通過(guò)使用利茲線等低阻線圈材料[17]可以使線圈電阻減小，從而增大線圈品質(zhì)因數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)模型的分析，介紹了使用阻抗匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)零相位角，應(yīng)用共振頻率自動(dòng)跟蹤方法來(lái)找到系統(tǒng)共振頻率，提高線圈間的耦合系數(shù)以及最大化線圈的品質(zhì)因數(shù)，可以改善系統(tǒng)的工作范圍并提高系統(tǒng)的功率傳輸效率。

磁共振無(wú)線充電技術(shù)在功率傳輸效率方面的改進(jìn)，將是其能否消除可充電設(shè)備對(duì)物理導(dǎo)體的需求以及提高電子設(shè)備移動(dòng)性的決定性因素。對(duì)于非線性整流負(fù)載的阻抗匹配設(shè)計(jì)的研究、利用最少的接收端和發(fā)射端耦合信息來(lái)實(shí)現(xiàn)共振頻率的自動(dòng)跟蹤、綜合線圈間距離以及線圈間耦合強(qiáng)度對(duì)提高線圈間耦合系數(shù)的方法進(jìn)行研究、以及充分考慮線圈的幾何形狀和材料等因素實(shí)現(xiàn)線圈高品質(zhì)因數(shù)，是提高磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)功率傳輸效率有效的方法，將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)磁共振無(wú)線充電系統(tǒng)的實(shí)用化發(fā)展。