劉偉

摘要：在當前我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的背景下，無線供電技術(shù)應(yīng)運而生，對新能源、物聯(lián)網(wǎng)、電子通信等行業(yè)都帶來了新的突破點。根據(jù)無線供電技術(shù)的應(yīng)用情況來看，主要原理是通過利用非輻射性的無線能量傳輸方式，驅(qū)動相關(guān)電器。電場耦合式作為無線供電技術(shù)中的一種形式，是在分布電容基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種耦合方式，進而實現(xiàn)無線供電。本文主要探究了電場耦合式無線供電技術(shù)，希望能為我國無線供電領(lǐng)域的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無線供電技術(shù);電場;耦合式;電路模型

中圖分類號： G632 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

在無線供電技術(shù)應(yīng)用過程中，主要通過某種特定裝置，將電能通過無線方式，傳輸給相關(guān)用電設(shè)備，是一種新型的電能傳輸技術(shù)。無線供電技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)電能傳輸工作中對電纜等電力設(shè)備的依賴，能夠有效降低電能傳輸成本，減少相關(guān)電力設(shè)備的安裝與維護，實現(xiàn)移動式供電與特殊場合的供電。

1 電場耦合式無線供電技術(shù)的相關(guān)概述

根據(jù)無線供電技術(shù)的發(fā)展情況來看，最早是由尼古拉·特斯拉提出的供電方式，之所以至今還未得到廣泛應(yīng)用，主要原因是在無線電力傳輸時，電磁波在自由空間中的傳輸會導(dǎo)致能量不易集中，特別是對于微波而言，直接漫射在空間當中，導(dǎo)致本來不多的能量衰竭得更快。但是，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，目前在全世界范圍內(nèi)，無線供電技術(shù)已經(jīng)成為各個國家的重要研究領(lǐng)域。根據(jù)我國無線供電技術(shù)的應(yīng)用情況來看，對于該技術(shù)的研究主要集中在電波傳導(dǎo)式無線供電技術(shù)、磁耦合共振式無線供電技術(shù)、電場耦合式無線供電技術(shù)。有關(guān)無線供電技術(shù)的應(yīng)用，在小型家用電器、電動汽車等領(lǐng)域都得到了實驗性質(zhì)的應(yīng)用[1]。在諸多無線供電類型中，電場耦合式無線供電技術(shù)作為一種新興的無線供電方式，具有體積小、水平錯位能力強、安全性高、電磁干擾小等特點，目前無線供電技術(shù)得到了社會各界的廣泛關(guān)注。在我國，電場耦合式無線供電技術(shù)在信號傳輸方面已經(jīng)有了較為深入的研究，但是在能量傳輸方面仍舊處于初步研究階段，有關(guān)能量傳輸效率、傳輸功率還有待進一步的提高[2]。

2 電場耦合式無線供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知，電場耦合式無線供電系統(tǒng)主要由發(fā)射端與接收端構(gòu)成。在發(fā)射端中包含電源Us與兩個極板P1、P3。系統(tǒng)的接收端與發(fā)射端十分類似，也存在兩個極板，分別為P2、P4，在兩個極板連接中，存在負載RL。對于四個極板而言，在發(fā)射端的P1、P3為主動極板，其他極板為被動極板。在系統(tǒng)運行過程中，極板間會傳輸位移電流，電流通過極板P1后會以電場耦合的方式傳輸?shù)絇2，再傳輸?shù)絇4，電流最終會返回到P3極板中。這樣一來這四個極板以及電源Us、負載RL會構(gòu)成一個完整回路，最終保障電能能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸[3]。

3 電場耦合式無線供電系統(tǒng)的抽象電路模型

根據(jù)電場耦合式無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型來看，可以利用該結(jié)構(gòu)的工作原理，將整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽象為電路模型。具體情況如下所示。

由圖2可知，在無線供電系統(tǒng)運行過程中，（a）圖里的Us、C1、C2、RL分別代表了交流電源，P1、P2組成的等效電容，P3、P4組成的等效電容，負載電阻。電路圖顯示，這些設(shè)備共同組成了一個串聯(lián)回路。在無線供電系統(tǒng)運行過程中，如果需要考慮系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的交流電壓源、導(dǎo)線傳輸損耗現(xiàn)象，可以將其簡化為（b），這是（a）的簡化電路。其中Us、RL分別代表了無線供電系統(tǒng)運行時的交流電源、負載電阻。電路模型圖中的C '、RZ主要代表了無線供電系統(tǒng)運行時的傳輸阻容抗，RZ代表了損耗等效電阻。常見的損耗等效電阻包含有輻射損耗、趨膚效應(yīng)、電壓源內(nèi)阻等，C '主要代表的是C1、C2構(gòu)成的等效容抗[4]。

4 理論分析計算

由上述內(nèi)容可知電場耦合無線供電系統(tǒng)的實際運行過程，可以在此基礎(chǔ)上對該等效電路模型開展分析計算工作。筆者根據(jù)自身經(jīng)驗，通過下述內(nèi)容論述了有關(guān)電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行時的具體情況。

電場耦合式無線供電系統(tǒng)在運行過程中，負載RL的電壓可以用以下公式進行表示：

RL代表了電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行時的負載電阻，其中Z代表了傳輸阻抗。等式當中的Us主要代表了系統(tǒng)運行時的交流電壓源有效值。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?代表了無線供電系統(tǒng)的傳輸容抗。RZ代表了系統(tǒng)運行時的損耗等效電阻。該系統(tǒng)運行時獲得的功率為傳輸功率，可以用以下公式進行表示[5]：

PL主要代表的是電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行時的傳輸功率，UR主要代表了系統(tǒng)運行時負載兩端獲得的電壓。RL代表了電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行時的負載電阻，其中RZ代表系統(tǒng)損耗等效電阻。為系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的傳輸容抗。在RL恒定的情況下，系統(tǒng)運行想要獲得最大的傳輸功率，必須以傳輸阻抗為必要條件。如果不考慮系統(tǒng)運行時傳輸阻抗中的容抗部分無功功率，那么在RL恒定的情況下，Rz越小，系統(tǒng)運行效率越高。如果要考慮電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行時無功功率條件下的傳輸效率，那么在RL恒定的情況下Rz越小，系統(tǒng)運行效率也越大[6]。

5 電場耦合式無線供電系統(tǒng)的優(yōu)化升級以及仿真驗證

在電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行過程中，制約系統(tǒng)傳輸功率以及傳播效率的主要因素為系統(tǒng)中的傳輸阻抗[7]。要想提高電場耦合式無線供電系統(tǒng)的傳輸功率以及傳輸效率，就需要從傳輸阻抗入手，降低傳輸阻抗，增加系統(tǒng)負載電阻，讓負載電阻在運行過程中獲得更多的電壓，這對于提高電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行效率來說是一種切實可行的方法。但是在此過程中需要注意的是，隨著電場耦合式無線供電系統(tǒng)傳輸頻率的升高，會導(dǎo)致相關(guān)輻射損耗以及趨膚效應(yīng)愈發(fā)明顯，帶來的損耗電阻也會越來越大。

為了能夠?qū)﹄妶鲴詈鲜綗o線供電系統(tǒng)運行情況開展計算和仿真對比工作，在系統(tǒng)運行過程中，我們將其最大傳輸功率設(shè)置為1 W，此時負載電阻為1Ω，交流電壓源的有效值為1 V。如果要使電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行時獲得更大功率，那么需要增加交流電壓源的電壓有效值，這樣才能確保電場耦合式無線供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行[8]。

通過對各種改進方法效果的對比，最終電場耦合式無線供電系統(tǒng)使用了下圖中的基本電路模型。通過利用Matlab進行計算與分析，最終可以使用Multisim開展電路仿真驗證工作。

圖中U1代表交流電壓源，C1、R2代表傳輸阻抗，R1代表系統(tǒng)負載電阻。具體電路模型元器件取值如圖3所示。

6 電場耦合式無線供電系統(tǒng)的常見運行方法

根據(jù)電場耦合式無線供電系統(tǒng)的運行情況來看，常見的運行方法有變頻法、阻抗變換法、串聯(lián)回路諧振法以及綜合法。不同的方法具有不同的特點，工作人員需要根據(jù)實際情況，采取科學(xué)合理的運行方法，為電場耦合式無線供電系統(tǒng)實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的運行奠定堅實的基礎(chǔ)。筆者根據(jù)自身多年工作經(jīng)驗，通過下述內(nèi)容詳細論述了有關(guān)電場耦合式無線供電系統(tǒng)的常見運行方法。

6.1 變頻法

在電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行過程中，傳輸功率與傳輸效率本質(zhì)上是關(guān)于頻率的單調(diào)遞增函數(shù)。在電場耦合式無線供電系統(tǒng)過程中，傳輸功率、傳輸效率會隨著傳輸頻率增大而升高。因此，想要提高系統(tǒng)的傳輸功率以及傳輸效率，可以通過提高傳輸頻率的方式來實現(xiàn)[9]。

6.2 阻抗變換法

阻抗變換法指在電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行過程中，利用變壓器原理增加、降低阻抗的一門技術(shù)。根據(jù)阻抗變換法的實際應(yīng)用情況來看，該技術(shù)既能夠增加電場耦合式無線供電系統(tǒng)的輸入、輸出阻抗，又能夠降低電場耦合式無線供電系統(tǒng)的輸入、輸出阻抗[10]。該技術(shù)目前在我國高壓電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛，主要應(yīng)用于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以及功率放大器中?？偟膩碚f，阻抗變換法在相同傳輸頻率下，線圈匝數(shù)的增多可能會提高整個系統(tǒng)的傳輸效率與傳輸功率。不過在此過程中需要注意的是，較多的線圈匝數(shù)在一定程度上會增加變壓器的體積，進而導(dǎo)致變壓器結(jié)構(gòu)內(nèi)的損耗不斷增加，因此要合理設(shè)計線圈匝數(shù)，避免對電場耦合式無線供電系統(tǒng)運行帶來負面影響[11]。

6.3 串聯(lián)回路諧振法

串聯(lián)回路諧振法指在電場耦合式無線供電系統(tǒng)當中，加入一個電感裝置，使該電感裝置與電容裝置構(gòu)成一個串聯(lián)諧振電路。在系統(tǒng)運行過程中，諧振頻率與傳輸頻率相同時，串聯(lián)電路會呈現(xiàn)出純阻性，整個系統(tǒng)的阻抗會非常小，進而有效提高電場耦合式無線供電系統(tǒng)的傳輸效率與傳輸功率，為電場耦合式無線供電系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的運行奠定堅實的基礎(chǔ)[12]。在此過程中需要注意的是，在傳輸頻率為諧振頻率時，等效電容也隨著系統(tǒng)中極板的改變而改變，諧振頻率在此情況下也會發(fā)生改變。因為整個電場耦合式無線供電系統(tǒng)的電容較小，在較低頻帶上諧振發(fā)生對電感值的要求較大，因此單純應(yīng)用串聯(lián)諧振可能無法滿足電場耦合式無線供電系統(tǒng)的實際運行需求。

6.4 綜合法

綜合法便是將文中上述所有方法結(jié)合起來，一來能夠有效吸收各種方法的優(yōu)點，同時還能有效規(guī)避各種方法的缺點，提高電場耦合式無線供電系統(tǒng)的運行效率，降低系統(tǒng)的整體質(zhì)量與體積，促使系統(tǒng)實用性不斷提高。根據(jù)綜合法在電場耦合式無線供電系統(tǒng)的應(yīng)用情況來看，與變頻法相比，該方法的傳輸頻率更低;與阻抗變換法相比，該方法的變壓器系統(tǒng)更小;與串聯(lián)回路諧振法相比，該方法的串聯(lián)電感值更小，但是通頻帶更寬。因此工作人員可以結(jié)合電場耦合式無線供電系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境等情況，合理采用綜合法來提高電場耦合式無線供電系統(tǒng)的實用性，為系統(tǒng)穩(wěn)定運行奠定堅實的基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)當前我國無線供電技術(shù)的研究情況來看，電場耦合式無線供電系統(tǒng)身為常見的無線供電技術(shù)類型，對于無線供電領(lǐng)域的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。在該系統(tǒng)運行過程中，常見的應(yīng)用方法為變頻法、阻抗變換法、串聯(lián)回路諧振法以及綜合法，工作人員需要根據(jù)電場耦合式無線供電系統(tǒng)的實際運行情況，合理選擇應(yīng)用方法，確保電場耦合式無線供電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：陳之曦）

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