諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的研究

魯東興 趙瑩 張文哲

摘? 要：無線輸電技術(shù)，即不使用導(dǎo)線作為介質(zhì)而實(shí)現(xiàn)將電能從供電端輸送到用電端過程的技術(shù)，這在醫(yī)療、電氣工程和軍事等方面有很關(guān)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(shù)，在Matlab仿真軟件中對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真從而分析其特性。

關(guān)鍵詞：磁耦合諧振;無線電能傳輸;仿真

中圖分類號(hào)：TM724 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(yīng)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(shù)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(qiáng)磁場(chǎng)電磁感應(yīng)和弱磁場(chǎng)諧振磁耦合三種技術(shù)將電能轉(zhuǎn)換為其他能量進(jìn)行輸送，之后再在接收端將其轉(zhuǎn)換為電能，其輸電方式有微波輻射式（MR-WPT）、電磁感應(yīng)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(lián)諧振電路圖并在Simulink中進(jìn)行仿真。用交流電源V1等效代替理想狀態(tài)下經(jīng)發(fā)射端各級(jí)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(bǔ)償電容，R3為負(fù)載等效電阻，k為諧振線圈耦合系數(shù)，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(shù)設(shè)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(bǔ)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(jī)構(gòu)部分， 該部分將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能，利用LC諧振耦合實(shí)現(xiàn)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(duì)發(fā)射端電路各組成部分進(jìn)行仿真模型搭建。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出逆變電路輸出占空比均為50%的方波。設(shè)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(jìn)行測(cè)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(shè)置仿真時(shí)間為0.01s。

發(fā)射端由市電輸入進(jìn)行供電，經(jīng)過工頻變壓器隔離后，在經(jīng)過整流電路得到直流電壓。后級(jí)利用該直流電經(jīng)過橋式結(jié)構(gòu)，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(bǔ)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)給到開關(guān)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(fù)載50？贅。

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

圖4分別為輸出電壓與負(fù)載電流波形，經(jīng)過一段時(shí)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(gè)暫態(tài)過程，此過程中電源輸出功率波動(dòng)極大。穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行。因此分析此過程中不同負(fù)載下的不同時(shí)間功率的傳輸效率，并測(cè)得系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(gè)暫態(tài)過程，此過程中電源輸出功率波動(dòng)極大。在t=0.04s之后，系統(tǒng)開始趨于穩(wěn)定。并測(cè)得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如表1所示。

為驗(yàn)證負(fù)載的功率特性，設(shè)置負(fù)載為50？贅，仿真時(shí)間為0.1s。運(yùn)行仿真可知，系統(tǒng)是在t=0.08s時(shí)開始趨于穩(wěn)定。測(cè)量得到表2中的各數(shù)據(jù)。

3 結(jié)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(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、不合理等情況對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響極大，導(dǎo)致仿真?zhèn)鬏斝什桓?。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行參數(shù)理論計(jì)算，以致無法實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算與仿真結(jié)果的對(duì)比。最后，還未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也未能獲得系統(tǒng)的實(shí)際傳輸性能，因而不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)的對(duì)比驗(yàn)證。

因而在日后研究中應(yīng)將系統(tǒng)的其余部分的設(shè)計(jì)作為研究方向?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并探索系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為便捷且高效率傳輸?shù)姆椒?，以?shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的高效化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔化。

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