无线电能传输装置（精选8篇）
无线电能传输装置 篇1
一、系统设计方案及论证
1.1无线电能发射部分
发射电路作为无线电能传输传输系统中的重要组成部分该部分设计的好坏对总的传输功率也有着十分重要的影响。因此在给系统中设计出一个高效的发射电路也是十分重要的一环。本设计使用门极谐振电路驱动MOS管, 其开关速度快, 属于软开关, 可以实现较低信号, 产生较高电压来驱动MOS管, 利于能量传输, 效率高。
1.2无线电能传输部分
采用两个自谐振线圈。电感线圈的设计和制作方法中我们了解到在高频状况下, 线圈匝间电容和集肤效应将会是导致电阻增加而造成Q值降低, 在空心电感的设计上都是应该考虑的。但这些因素恰恰是引起线圈谐振所必需的, 在谐振耦合中好似加以利用的。另外提到有关线圈电感量计算公式中, 都没有关于线圈所用绕线直径方面的内容, 这就表明了线圈的电感量与线径无关。
但实际上, 线径大小虽然不影响线圈的电感量, 却对线圈性能有影响。也就是说, 线径越细, 线圈的等效串联电阻就越大, Q值就越低, 线圈性能就越差。
1.3无线电能接收部分
无线电能的接受由三大部分组成, 分别是整流电路、滤波电路和稳压电路。整流是为了方便接收线圈将高频率的正弦交流电压转化成我们负载所需要的电压。整流有半波整流和桥式整流。通过实验比较可知, 桥式电流的效率以及对二极管的保护能力相对于其他方案要占优势一些。虽然整流可以将高频的交流电压转化为直流电压, 但是输出电压会由很大的脉动成分, 这样在给谐波进行供电时会受到很大的谐波干扰, 因为我们还需要滤波。
滤波分为有源滤波与无源滤波, 因为本实验是给两个LED灯供电, 没有太高要求, 因此我们采用无源滤波。而无源滤波又分为电容滤波, 电感滤波和复式滤波, 但是电容滤波比较简单, 因此采用无源滤波。在经过了整流和滤波后, 虽然高频交流电变成了直流电并且消除了滤波干扰, 但是输出的电压却不稳定, 为了满足要求, 我们就需要添加稳压器件, 把电压控制在要求的电压值。
1.4 显示处理部分
为了便于观察实验结果, 采取单片机驱动液晶同时进行A/D装换。
二、系统理论分析与计算
2.1无线电能传输理论分析
在本实验中, 我们采用的是谐振耦合式无线电能传输系统。在本实验中就是采用的两个线圈, 当线圈中通交流电时, 线圈周围就会产生随时间变化的电场, 于是空间就会有一系列的电场和磁场效应, 能量从线圈上发射, 变化的磁场与变化的电场一起向外辐射, 就产生了电磁波, 从而就可以达到无线传递能量的目的。
在此无线谐振耦合电路中, 由于电磁耦合无线电能传输的谐振频率都在兆赫兹, 而逆变电路的最高逆变频率只在几百K赫兹, 远远达不到谐振器的工作频率, 因此选用高频振荡电路作为信号源。另外在试验中发现频率一个很小的变化对整个系统的影响都非常大, 由于所涉及振荡电路频率可调的范围有限, 所以用八兆有源晶振搭建的信号源, 通过门极谐振电路来驱动MOS管, 降低前级驱动损耗, 再驱动后极E类射频放大电路。
2.2无线电能传输理论计算
松耦合变压器模块的主要作用就是将能量转换后的高频电源耦合到用户端。松耦合部分 (可分离式变压器) 是能量传输的关键。松耦合系统通过大间隔的耦合电感传输电能, 所以产生很大的漏感, 造成原边电流很大部分通过耦合电感流回电源, 因而效率较低。为了提高效率并减小设备体积, 办法是提高工作频率并使其工作于谐振状态, 这时工作电流近似为正弦波形。设M为耦合装置互感, LP和LS为初级、次级激励电感, 初级磁场发射的高频载流线圈工作角频率为w, 电流有效值为iP, 则松耦合系统次级电路接受线圈的开路电压为Voc:
相应地, 次级线圈的诺顿等效电流Isc为:
次级电路品质因数为QS:
无线供电系统的能量传输能力, 即次级线圈能够获得的最大功率Pm为:
其中, 松耦合变压模块如图1所示。
因此, 增大系统能量传输能力的方法有:增大工作频率f (w) 、增加初级电流iP、增大互感M或减小次级自感LS、增大品质因数QS。由于品质因数不宜过大, 因而有效系统传输能力的方法是增大工作角频率w和初级电流iP。
能量调节模块主要是调节电流, 其主要作用是提高系统能量的传输能力, 实际电路设计时采用多个电容串并联的方法来实现功率补偿调控。
由于线圈拾取机构与导轨间的距离总是处于一种随机变化状态, 导致拾取线圈中的感生电动势幅值也不断发生改变。因此, 由其形成的电压源不能直接驱动负载, 必须经过整流、滤波、稳压等环节, 才能以稳恒电压源的形式给负载提供稳定、有效供电。同时为了改善负载性质, 使其在初级侧的反射阻抗呈纯阻性, 提高系统的传输功率和效率, 需在整流前加入一个功率补偿电路。
三、电路设计图
此电路主要是由发射装置, 传输装置以及接收装置所组成。主要有三大部分, 分别是稳压模块, 射频放大电路以及桥式整流电路, 完成给两只串联LED灯供电。
3.1稳压模块
线性稳压器7805能有效的将15V的电压转换为5V供其他模块使用, 且成本低廉, 效果好。
3.2射频放大电路
信号源通过74hc14对信号进行整流, 然后通过门极谐振电路来驱动MOS管, 组成E类射频放大电路, 进行能量发送, 其电路如图2所示。
3.3桥式整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。其中的变压器起变压的作用, 二极管相当于单向导电作用, 四个二极管二二轮流导通与截止使波形完整, 电路如图3示。
四、测试方案及试验结果
为了验证理论设计和实际装置测试值的正确性, 同时也为了论证设计达到指标要求, 对样机进行了实验研究。上为试验数据。
从表中可知理论数据与实际数据有一定差别, 其主要原因:一部分是元器件参数存在的误差, 另一部分在高频情况下, 元器件会产生内部寄生电容, 并且还要考虑导线的电感。并且射频放大模块本身效率不高导致与理论相差较大。
五、设计总结
本次设计, 主要是实现无线能量传输的功能, 并且要达到一定的效率, 整个过程中想过多种方案, 最终确定为E类射频放大电路, 但在调试过程中实验数据和理论数据差别较大, 提高效率是今后努力的方向。
无线电能传输装置 篇2
无线电能传输就是利用一种特殊设备将电能以无线形式进行传输，从而可以在无需电缆线的情况下直接传输电能。介绍了一个无线充电系统，该系统由利用89C51单片机，设计制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，它对发射线圈的电流进行檢测，若产生偏离谐振电流则进行调节，从而使传输电能的能量始终处于最大。无线电能传输领域是一个充满活力、具有巨大应用前景的高新技术领域。
关键词：
无线传输；自谐振；传输功率；传输效率
中图分类号：TB
文献标识码：A
文章编号：16723198（2016）04021902
1 系统方案
根据设计提出的要求，本系统总共分为两大部分：电能发送和电能接收。发送与接收单元之间通过线圈之间的互感耦合作用传送电能，供电部分和用电部分没有任何束缚性的有线连接。传送有效距离达10cm，本系统效率高，成本低，工作可靠稳定。系统构成如图1所示。
1.1 发射电路的论证与选择
1.1.1 检测与调频的论证与选择
方案一：采用晶闸管，其优点是切换无噪声，单驱动电路复杂，切要安装散热片。
方案二：采用继电器，功率大，内阻小，缺点是存在切换噪声。
方案三：采用89C51单片机控制驱动顶部线圈信号的频率，并能通过检测流过顶部线圈电流的大小来调整频率使线圈达到最大的传输频率。
综上所述：单片机操作简单，控制灵活，功能齐全，价格适宜，所以选择方案三。
1.1.2 频率调节电路
方案一：使用晶体管振荡，可以产生稳定准备工作频率，但频率不可调，使接下来的工作量增大，较难做到系统所需较高要求。
方案二：使用LC振荡，其频率在一定的范围内可调，电路简单而且省电。
方案三：采用89C51单片机对谐振电流进行检测，若谐振电流发生偏离则进行调整，使频率域LC达到一致，从而使线圈传输能量达到最大。工作简单方便。
综上所述：因功率放大系统频率不高，频率可调在一定的范围内，选用方案三。
1.1.3 功率放大电路
方案一：采用大功率开关三极管作为功放元件，但管耗较大，需要大面积的散热片，成本较高。
方案二：采用场效应管作为功放与元件，功耗低于三极管，驱动功率小，使用方便，价格合适，更能满足系统要求。
1.1.4 总体发射电路
方案一：采用专制XKT-515直流远距离无线供电芯片，使用简单方便，但是芯片较为稀有独特，其功能不能满足任务要求。
方案二：采用自制电路，将输入的直流电压15V，经过振荡，放大，使振荡频率达到最大，即自谐振状态，经由线圈将电能发射出去，结构简单，方便。
综上所述，本系统采用方案二。
1.2 接收电路的论证与选择
方案一：采用专制电路：XKT-408系列集成电路，采用CMOS制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。
方案二：采用自制电路：线圈接收电能后，经过电桥整流，电容滤波，可以为负载提供直流电源，达到题目要求。
综上所述，采用方案二。
1.3 负载电路的论证与选择
根据设计提出的要求采用两个1W的LED灯串联，并串入一个电阻。
2 系统理论分析与计算
2.1 发射、接收电路
为方便说明，在以下分析中均认为发射、接收电路装置在建立联系之后，均达到自谐振状态，同时只考虑线路的集中参数，并不计算杂散参数对电路的影响。其等效的电路模型如图9。
图中Us为发射线圈感应得到电压，Rt、Rr为发射、接收线圈等效电阻，Lt、Lr为发射、接收线圈等效电感，Ct、Cr为发射、接收线圈等效电容。
设发射线圈中电流为It，发射线圈电流产生的磁场近似为：
由此在接收线圈感应产生的电压为：
负载得到功率：
以上式中，Rr为针孔磁导率，f为电流频率，N为环形线圈匝数，r为线圈半径。
由上面式子可以得到发射线圈与接收线圈之间传输效率为：
2.2 功率放大分析
图10为典型的E类功率放大电路，开关管T采用MOS管，正常工作时要能工作在软开关状态。
由于该系统主电路的频率到达1MHz以上，因此开关管应选择MOS管。本系统选用了国际整流公司的芯片IRF840，额定电压为500V，额定电流为8A。
2.3 驱动电路的设计
本系统采用栅极驱动，主要包括方波信号发生器，驱动芯片TL4428，5V的直流源，滤波电容，稳压二极管等。由于MOS管需要一定的驱动功率，这里采用了驱动芯片TL4428，它可以提供1.5A的驱动电流，驱动的上升时间和下降时间最小可以到达19ns，从而可以满足1.5MHz驱动的要求。另外，稳压管可以起到防止驱动电压尖峰，保护MOS管的作用；电阻可以防止MOS管的栅极里的电容放电，而烧毁驱动芯片。
3 设计结论
通过本次无线电能传输装置的设计，我们不仅对模拟电路有了更加深刻的理解，在电子设计方面同样也很有收获。我们的设计互帮互助，友情更加浓厚，同时也加深了彼此之间的默契，虽然其中也有很多的争执与分歧，但是经过彼此的细心探讨，问题也都会迎刃而解。
参考文献
[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]康华光.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.
基于谐振耦合的无线电能传输装置 篇3
1系统设计
设计任务:设计一个磁耦合谐振式无线电能传输装置。非接触式无线电能传输式系统的基本结构如图1所示, 其主要由驱动电路、发射模块、传输模快和接收模块4部分组成, 发射模块与接收模块通过磁场耦合相联系。发射电路把电能转换为磁场能量传输到接收电路, 接收电路通过整流稳压给2个串联的LED灯 (白色, 1W) 。
2设计方案
本系统采用耦合式无线供电传输方法, 该方法主要利用两个具有相同频率的谐振电路[1]通过磁场耦合实现能量的传输的。
磁耦合谐振式无线供电传输引入了谐振技术, 使发射线圈和接收线圈在相同的频率下工作, 不仅能使传输能量传输率会大大提高, 其传输距离也会大大增加, 辐射小, 方向性要求不高, 适合中等距离传输, 传输效率较高且不受空间障碍物的影响, 能量传输效果好。
3技术方法的分析与计算
3.1耦合谐振工作原理分析
耦合谐振无线电力传输系统如图1所示, 包括高频放大电路、发射线圈、接收线圈和负载, 其中发射线圈和接收线圈发生耦合谐振, 当发射源的频率与收发线圈的固有频率一致时, 发射回路和接收回路阻抗最大, 收发线圈两端电压最大, 此时系统效率最高。相反如果两者频率不一致时, 即两线圈处于失谐状态, 大部分能量会消耗在线圈上[2]。在磁耦合谐振无线电力传输系统中, 谐振线圈可等效LC并联电路。
回路的阻抗频率响应和相频响应, R值越小, Q值越大, 谐振时的阻抗值就越大, 相角频率变化的程度越急剧, 选频效果越好。
3.1.3谐振时输入电流与回路电流之间的关系
解得L=2.1u H。
3.2无线电能传输线圈选择分析
该装置输入直流电流不大于1A, 发射与接收线圈为空心线圈, 线圈外径均20±2cm。装置采用漆包线圈, 由于交流电的集肤效应, 电流不是满截面地流动, 而是沿外表面进行传送, 因此没有一个线性关系, 不能够根据截面面积直接计算它的载流量。一般铜导线的安全载流量为5-8A/mm2, 因此铜导线的横截面积S的上下范围:
S--铜导线横截面积 (mm2) I--负载电流 (A)
3.3距离与效率的关系
根据毕奥一萨伐尔定律, 稳恒电流通过导线时在导线外一点P处产生的磁感应强度为:
首先计算单个载流圆线圈轴线上的磁场。设圆线圈的中心为0, 半径为R, 载有电流I。
由公式 (5) 可知, 线圈在P点产生的磁场, 与P点到线圈的距离的三次方成反比, 与线圈的半径成正比。即有如下关系
又上面几个式子可以看出, d B与互感M成一次正比关系。
综上所述, 要提高无线传能的效率, 得要增大耦合线圈的半径, 减小线圈之间的距离以及使电路处于谐振状态。
4测试结果分析
经测试, 输入直流电压U1=15V, 当发射接收线圈距离在35cm左右, 两个LED灯非常亮, 由于LED灯没有接限流电阻, 故不能再将接收线圈进一步靠近, 否则会因为流过灯珠的电流过大而烧毁LED, 增大发射与接收线圈距离, LED灯的亮度逐渐减弱, 当发射与接收线圈距离为60cm时, LED灯光也能保持不灭。经多次测试, 在保持LED灯不灭的条件下, 发射线圈与接收线圈最大距离可达63cm, 输入电流I=0.738A。
5结论
本系统结构简单, 成本低廉, 不仅能使传输能量传输率大大提高, 其传输距离也会大大增加, 辐射小, 方向性要求不高, 适合中等距离传输, 传输效率较高且不受空间障碍物的影响, 能量传输效果好。
参考文献
[1]孙勇.面向自行小车的非接触供电系统的研究与应用[D].南京:南京航空航天大学, 2009:1-3.
一种无线电能传输系统的设计 篇4
无线供电的设想最早由交流电之父特斯拉在一百多年前就已经由此构想了。在那以后, 人类对无线供电技术的研究一直在继续。无线充电可以解决很多问题:第一, 它可以改变目前电子产品充电接口不兼容的情况, 让用户不再需要携带一大堆充电器和电线, 只要将代充电的设备置于发射器附近, 就可以充电了。第二, 目前很多传感器需要无线充电, 比如埋在墙里的传感器, 把它拿出来充电是不太可能的, 还有一些远程的监控用途的传感器, 一样地需要无线充电技术。第三, 就是目前广泛应用的植入性医疗器件, 如心脏起搏器, 每隔七八年病人就需要做手术来更换电池。如果可以对起搏器进行无线充电, 就不需要做危险的手术了。
最重要的是, 从宏观上看, 如今人类对电能的热爱非常强烈, 消耗越来越大, 乱如麻的电线和污染环境的电池, 带来更多的困挠, 无线电能传输技术是解决这些问题很好的途径。
2 系统实现方案
无线电能传输技术目前可通过三种方式实现:电磁感应式 (利用电流通过线圈产生磁场实现近程无线供电) 、磁场共振式 (利用磁耦合共振效应近程无线供电) 、电波辐射式 (电力转换成电波以辐射传输供电) 。
2.1 系统实现方案
结合设计条件、成本、安全等多方面因素考虑, 采取线圈电磁感应的方法设计该无线电能充电器。设计框图如图2-1所示:
如图2-1所示, 本系统主要由发射模块和接收模块组成。发射模块中信号发生电路产生占空比可调的方波, 经驱动电路提高其驱动能力后为功放电路提供激励信号, 再通过发射线圈把能量发射出去。接收电路主要有接收线圈, 整流滤波电路以及发光二极管模拟的负载组成。
2.2 发射单元硬件电路设计
发射单元硬件电路设计主要分为振荡信号电路设计, 功放电路设计和驱动电路设计三个部分。
在振荡信号电路设计部分, 采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件, 它性能优良, 适用范围很广, 外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成多谐振荡器, 以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。NE555可稳定输出1MHz以下的方波, 并且占空比可调, 电路调试容易, 成本较低。
在功放电路设计部分, 由于放大后的振荡输出是用于能量功率, 而不是信号, 波形失真并不重要, 不但要有足够的振幅, 电路还要简单。这里选用功率场效应管电路 (图2-3) 。这两种电路仅一级功放就有一定的输出。
经比较和筛选, 及考虑成本因素, 最终选用了IRF640, 作为功放MOS器件。
如果仅仅以NE555输出的方波驱动后级功放电路会由于驱动能力不足使场管不导通, 所以需要加一级驱动电路。本系统采用专用高低端驱动芯片IR2181构成后级功放驱动电路。结合本系统功放电路, 需采用低端驱动, 驱动电路图如图2-4所示。
综合以上2-2、2-3、2-4, 本无线电能传输系统发射端电路图如图2-5所示。
由NE555构成多谐振荡器, 产生频率为400KHz, 占空比为60%的方波信号, 经过MOS管专用驱动芯片IR2181后驱动功率管IRF640, 通过MOS管的开关作用, 将+12V直流信号转化为交流信号, 再通过LC谐振网络将能量发射出去。
2.3 接收单元硬件电路设计
接收电路相对比较简单。它只需将接收线圈感应到的能量进行转换。因为充电时需要直流;因此需要将能量转换成直流电, 所以只需在后级加上整流滤波电路即可。在本设计中, 负载用四个额定功率为1W的LED代替。接收电路如图2-6所示:
LC采用并联补偿结构, 补偿电容C5选用330pF的聚苯电容, 这种电容耐压高, 容值稳定。因为系统工作在400K左右的频率上, 最大电流可达500mA, 所以对整流二极管的要求是, 快恢复, 较高的电流上限综合考虑, 选择1N5819最为合适。C6的作用微调接收端LC的谐振频率, 使其与发射端频率尽量相同, 提高系统传输效率。
3 系统实物及其测试
3.1 系统实物图
图3-1为系统实物图。
3.2 耦合线圈3mm效率测试
本系统采用4个额定功率为1W的LED作为负载, 并设定NE555输出振荡信号为440KHz。输入输出功率定义:电源的输入功率是指电源的输入端的电压和电流的乘积。电源的输出功率是指在电源输出端接入负载后, 电源输出端两端的电压和电流的积。
表3-1为收发线圈3mm距离时传输功率及效率测试结果:
由测试数据得, 当负载为4盏LED, 振荡频率为440KHz, 收发线圈距离为3mm时系统效率为67.1%, 输出功率为1.1658W。
3.3 距离范围测试
当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时, 磁场强弱也会变化, 因此输出电压的大小也会随着改变。即当发射线圈与接收线圈之间距离增大时, 磁场变弱, 输出电压减小。以距离步进1cm的高度, 测得不同的电压、电流及功率的大小如下表3-2所示。
有测试表3-2得, 该无线电能传输系统输出功率随着收发线圈距离的增加迅速衰减, 在0-6cm的范围内可以点亮4只LED。
摘要：无线电能传输是通过电磁波进行电力传输, 从而省去电源线和插座的一种新型电源。本设计的无线电能传输系统采用电磁感应方式, 充分结合了磁耦合技术和开关电源技术。系统分为无线发射部分和接收部分, 在12V电源供电下, 3mm距离耦合时效率达到了67%, 输出功率1.16W。整个电路结构简单, 工作稳定, 经过检验在6cm范围内能够点亮发光二极管, 达到了实际应用水平。
关键词：无线充电,电磁感应,耦合效率,开光电源
参考文献
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无线电能传输装置 篇5
1 无线电能传输技术分析
1.1 电磁感应无线电能传输技术
该项技术主要利用变压耦合器,通过磁场这一媒介使无线电能传输得以实现。本磁场主要有交流电源、一次侧变换器、二次侧变换器及可分离变压器四部分组成。这种电能传输系统以电磁感应原理为基础,耦合系统相对疏松,其传输能力并不强,一般情况下需要利用高频变换器作为一次侧变换器来使用,可分离变压器主要以电磁感应原理为基础,将电能传输系统作为最重要的组成部分,整个系统的高效运行都需要由电能传输系统进行保证。
1.2 射频电能传输技术
该项技术主要利用功率放大器将射频信号发射出来,并通过检波、高频整流之后得到直流电,利用其供负载使用。手机、智能手表等便携式终端在待机时会损耗功率,而在室内电灯等器具中装设射频电能发射器,这样就可以随时为这些终端设备充电,不需要充电器。该项技术的主要优点在于无线电能传输距离非常远,最远可以达10m,其缺点在于传输的功率较小,最高也只能到达到毫瓦级别。
1.3 电磁共振技术
对发射与接收装置的参数进行合理调节,这样发射线圈和接收线圈就会产生电磁共振,在共振频率电源驱动下,本系统将会达到一种“电谐振”的状态,能量在发射端及接收端之间的高效传递就可以得以实现,这种技术就是电磁谐振型电能传输技术。这些技术的有关研究最早见于2006年麻省理工学院的Soljiacic助理教授,利用自谐振线圈,在强耦合环境中利用实验证明了非辐射功率传输的可行性。这次实验利用电磁共振技术,传输距离为线圈的8倍。
1.4 激光电能传输技术
该项技术主要利用受激辐射放大原理,完成电能与激光之间的转换,然后将激光发射到接收装置中,利用接收装置完成光电转换。因为激光的方向性比较好,具有能量集中、传播距离远等一系列特点,可以在小范围内将大量光能集中到一起。接收装置比较小,加上传输效率也比较高,所以航天器、微型飞行器等可以利用这种输电方式展开远程电力传输,应用价值非常大。
1.5 微波电能传输技术
微波电能传输实际上就是利用微波传输电能,将电能转化成微波,再将其发射出去,形成整个周边空间的辐射,并将微波传话成直流电,供人们使用。通常情况下,微波电能传输技术的应用价值是有限的,因为其传输距离一般不会超过10m,传输距离较短,加上这种方式的传播功率也较小,只能在近距离小供电电器中使用。
2 无线电能传输的应用范围及前景
2.1 便携通信领域
美国Power Cast公司将无源型RFID技术(美国匹兹堡大学研发)为基础,开发出了新一代电波接收型电能储存装置,这项装置主要利用射频发射装置传递电能。Splash Power公司还开发出了手机充电平台,该平台以ICPT技术作为基础。香港城市大学也在这方面展开了深入研究,许树源教授研制出了以ICPT为基础的,供手机和MP3等编写式通讯设备进行充电的平台,目前其成果已经开始进入转化阶段。
2.2 交通运输领域
目前,交通运输领域中已经开始普遍采用ICPT技术,电动汽车和轨道机车的充电装置中已经广泛使用这项技术。新西兰奥克兰大学所属的奇思公司目前已经将这项技术成功在Rotorua国家地热公园的旅客电动运输车中应用。现阶段,无线电能充电装置开始成为无线传输电能领域中一个非常热门的研究方向,逐渐朝着实用化的方向发展。具体来说,主要分成移动式和固定式两种方向:移动式电动汽车的充电装置可以随时为行进中的车辆补充能量,大大减少了相同运行里程条件下汽车需要的电池容量;固定式在充电过程中车辆保持不动,传输功率和传输距离可以满足电动汽车底盘高度及充电功率等方面的要求。
2.3 医疗器械领域
在医疗技术不断发展的进程中,无线电能传输技术发挥着非常大的作用,供电方式得到了彻底改变,如心脏起搏器核电池的充电方式通常利用ICPT、PFPT等相关方式进行体外能量的传输。医疗电子系统采用RFPT技术在体外与体内线圈之间的电磁耦合输送电能,利用经皮和直接能量传输两种方式传输电能。
3 结语
随着近年来科学技术的快速发展,无线电能传输技术的应用领域将会越来越广泛,其巨大的应用潜力也会逐渐显现出来。本文主要阐述了无线电能传输的几种典型方式,并对其应用领域及发展前景进行论述。
摘要：无线电能传输技术已经成为现阶段的研究热点。本文对现有的几种无线电能传输技术进行简单分析,并针对该项技术的应用进行展望,分析了该技术在多领域中的应用前景,供大家参考。
关键词：无线电能,传输技术,电磁感应
参考文献
[1]朱忠尼,林洁,宋庆国,等.磁耦合谐振式无线电能传输技术发展和应用研究[J].空军预警学院学报,2014(1).
无线电能传输系统的设计与研究 篇6
关键词：电能传输,SPWM,全桥逆变
自特斯拉以来,无线电能传输是人类长久以来的梦想,无线电能传输不仅能够减少对线路的依赖,而且可以节约电线等材料,同时又避免了电路故障。无线电能传输应用范围很广,若进行技术推广,将在医疗、生活、工业、军事上都有很大影响,开创无线新时代。2007年MIT研究团队成功的在2米多外点亮一盏60W的灯,就预示着无线电能传输有望为人类带来新技术革命。该文对无线电能传输系统进行了设计和研究。
1 无线电能传输原理
根据麦克斯韦定理,交变的电场产生变化的磁场,如图一所示,在电路中通入交流电源,交流电在L1线圈中产生变化的磁场,变化的磁场通过L2线圈中感应出感应电流,这样发射电路的电能就传输过去了。在传输过程中,利用谐振使得线圈的阻抗减小到最小,实现电能以谐振为主要路径传输。在谐振过程中,两两电路之间的关系满足:
由公式可知,如使电路处于谐振状态获得最大传输效率,交流电源的频率应为
接收端感应到变化的磁场后,产生感应电动势,通过整流即可。
2 硬件部分
2.1 硬件分析
在设计电路时,若直接提供交流电源,如:220V-50Hz的公频交流电电源,50Hz对于线圈产生的磁场来说,频率太低,甚至可能认为短路;如果直接通过函数信号发生器产生,有因为电压太低,使得发射端的能量太低,使得接收端无法感应到。故采用15V直流电源为电路供电,将电源通过逆变,为线圈提供交变电源,从而使得线圈产生磁场;接收线圈感应到磁场后,产生感应电动势,通过二极管整流桥整流,经电容滤波,从而实现交流到直流之间的变换。
2.2 硬件设计
硬件设计分为发射端设计和接收端设计。发射端设计以为12V直流电为电源,通过全桥逆变电路,全桥逆变电路原理如图2,当将S1和S4闭合时,电流由a流向b;当S2和S3闭合时,电流由b流向a;将合上开关的频率加快,就实现了逆变。
在以上原理图的基础上,将4个开关换成可控型的MOSFET,MOS管的栅极由SPWM波控制,由此实现了MOS管的导通和关闭,将交变电源转换成直流电源,为负载供电。实际电路如图3。
3 软件部分
由公式线圈中产生时刻变化的电场产生变化的磁场,本设计将SPWM作为控制信号,输出产生时刻变化的正弦波;由面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同;在将SPWM方波加在硬件的惯性环节上时,输出与正弦波效果一致。
采用SPWM波控制MOS管,软件设计是通过单片机内存,利用SPWM数据表的软件,然后利用生成的数据形成一个数组储存在单片机内,调用数组产生SPWM波;SPWM波驱动电路以后,在滤波器两端实现等效正弦波。
4 系统验证
发射线圈以直径为1.5mm铜线绕制而成,形状为直径为20cm的圆形线圈,匝数为11;接收线圈有两个,其中一个线圈参数与发射线圈一致,另一个材料为0.8mm铜线,四股铜线并联相互螺旋缠绕成为直径为20cm的圆形线圈,匝数为11,在不同频率下实验以测试最大效率,并得出以下结论:
第一,在控制的频率一定下,电路中存在最佳阻抗匹配,当实现最佳阻抗匹配时,电路的传输效率是最大的,即当负载的输入电阻等于输出电阻:
第二,在其他参数控制不变得情况下,单股接收线圈相对于多股线圈来说,效率相对较小,因为多股线圈的内阻小,电感小,但是增加了匝数,使得接受的电能范围增大,故效率高。
无线电能传输装置 篇7
自从第二次工业革命以来，人类社会便进入了电气化时代。大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过点对点直接接触传输。这种传统的接触式电能传输由于存在诸如产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，同时传统的电能传输供电产生大量的废旧电池，对环境造成很大的污染[1]。因此探求一种更为灵活、方便的电能传输方式迫在眉睫，多年来国内外的科学家开展了很多探索研究工作，但进展缓慢。2007年，美国麻省理工学院（MIT）基于磁耦合谐振原理在2 m的距离内将一个60 W的灯泡点亮，传输效率[2]达40%。随后，磁耦合谐振式无线电能传输技术成为国内外学者研究的热点。
无线电能传输系统的主要性能指标在于系统的传输距离、传输功率、效率等。目前国内外对磁耦合谐振式无线电能传输的研究还处于理论研究和初步实验阶段，MIT的分析也局限在物理方面的分析[3]。在传输距离、效率方面，Steven等人研究了中继线圈对提高传输距离的效果及其理论分析[4]；李阳等研究了发射、接收线圈的匝数及线圈半径的大小对传输效率和传输距离的影响[5]；朱春波等通过仿真和实验研究了不同的工作频率和传输距离、传输效率的关系[6]。这些研究成果的应用较大地提高了无线传输的距离及效率，但目前还没有针对每一个特定负载系统，分析如何选择各个影响因素，保证无线传输系统有较好的输出功率、传输效率。
本文基于等效电路模型，建立磁耦合谐振式无线电能传输串串式拓扑模型，给出输出功率、传输效率的计算方法，搭建磁耦合谐振式无线电能传输试验平台，通过仿真与实验相结合，分析线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振对输出功率、传输效率的作用规律。针对每一个特定负载的无线电能传输系统，选择合适的传输特性因素，保证系统有较好的输出功率、传输效率。这些为提高无线电能输出功率、传输效率提供了参考和借鉴，也为磁耦合谐振式无线电能传输系统的产品应用提供了设计依据。
1 无线电能传输系统模型
1.1 无线电能传输系统工作原理
典型的磁耦合谐振式无线电能传输系统原理如图1所示，直流电源经过交流逆变后由发射线圈进行电磁变换，接收线圈感应到此磁场能量后进行磁电变换，变换后的电能经过整流滤波稳压供一般直流负载使用。
1.2 无线电能传输系统基本拓扑模型
磁耦合谐振式无线电能传输系统的分析模型目前有两种：耦合模式理论[7]和等效电路理论[8]。耦合模式理论是基于能量的微扰理论，从系统的能量角度进行分析；等效电路理论是通过构建系统的物理模型，得出等效参数进行分析。系统通过线圈配合外围电子元件进行电能传输，采用等效电路理论分析较为简单。根据电容电感的连接方式，无线电能传输系统的电路理论模型可以分为四种[9]：串串式（Series-Series,SS）、串并式（Series-Parallel,SP）、并串式（Parallel-Series,PS）、并并式（Parallel-Parallel,PP），如图2所示。
图2中：US为交流逆变后等效电压源；R1和R2为线圈等效电阻；RL为负载电阻；L1和L2为发射、接收线圈；C1和C2为谐振电容；I1和I2为流经两回路的电流；M为发射、接收线圈之间的互感量。
2 串串式系统输出功率及传输效率分析
以图2(a）模型为参考，发射端等效阻抗为：
串联时：
并联时：
一般LC电路发生谐振时，ωL1=1(ωC1)，串联谐振电路等效阻抗很小，并联谐振电路等效阻抗很大，用于能量传递的磁场，主要依靠线圈中的电流建立。根据发射端阻抗的分析结果，若要在发射线圈中产生同样的电流，在串联谐振时需加较小电压，而在并联谐振时需加较大电压。因实验交流电压较小，故采用发射端串联形式。对于接收端回路，同理，串联谐振时等效阻抗很小，所以更适合负载阻抗比较小的情况；而并联谐振时等效阻抗很大，所以更适合负载阻抗比较大的情况。实验采用负载阻抗较小，故接收端也采用串联形式。因此实验选择串串式谐振电路。
根据基尔霍夫电压定律可以得到方程：
式中：Z1=R1+j X1(X1=ωL1-1(ωC1),X1为电抗）；Z2=RL+R2+j X2(X2=ωL2-1(ωC2),X2为电抗）。
由式（1）可以得到系统输出功率为：
系统输入功率为：
系统的传输效率为：
将式（2），式（3）代入系统的传输效率公式，可得：
磁耦合谐振式无线传输系统的发射线圈和接收线圈相同，故各线圈参数一致，即L1=L2=L,R1=R2=R。对于任意一给定线圈，L是确定的，但其R值会随着频率改变而有所变化，考虑到系统的工作频率在线圈的自谐振频率附近，所以将R取为定值（谐振时的阻值）以作简化。M与线圈之间的距离D有关[10],M≈πμ0r4N 2D3。其中：μ0为真空磁导率；r为线圈半径；N为线圈匝数；D为两线圈之间的距离，同时ω=2πf。
由式（2），式（4）可知：输出功率Pout与工作频率f、线圈之间距离D、负载电阻RL、电抗X1,X2（系统谐振）有关，即Pout=G(f,D,RL,X1,X2)；传输效率η与工作频率f、线圈之间距离D、负载电阻RL、电抗X2有关，即η=H(f,D,RL,X2)。
3 系统仿真分析
固定几个变量，减少方程维数，通过Matlab函数仿真得到系统输出功率、传输效率随各个因素的变化规律。设定系统的谐振频率f在1 MHz左右，负载电阻RL=300Ω，表1为发射、接收线圈参数值。
线圈等效电阻由欧姆电阻和辐射电阻组成。辐射电阻相对于欧姆电阻和负载电阻来说可以忽略不计，故线圈等效电阻。其中：ω=2πf；μ0为真空磁导率；δ为纯铜电导率；l为线圈长度。代入各参数值得到线圈的等效电阻为R=4.017Ω。无线传输系统中电源电压US取20 V。
3.1 系统谐振对输出功率、传输效率的作用规律
为了得到输出功率、传输效率与系统谐振即X1,X2的关系，固定f,D,RL。
根据式（2），令：
当h取得最小值时，Pout取得最大值，满足：
根据式（5）可知：
当时，即，输出功率Pout最大；
当A-2BC>0时，即R1(R2+RL)<(ωM)2,
X1,X2同号，此时系统输出功率Pout有两个最大值，分别如图3，图4所示。
从图3，图4可以看出，X1=0或趋近于0,X2=0或者趋近于0，无线电能传输系统输出功率Pout值都较大。同时，根据式（5）可知，系统的传输效率仅与X2有关，当X2=0时，系统的传输效率达到最大，传输效率为：
设计无线电能传输系统时，尽量保证ωL=1(ωC)，使得电抗X1,X2满足X1=0,X2=0，在不考虑其他作用因素的条件下，系统有很大输出功率和最大传输效率。
3.2 负载电阻、频率对输出功率、传输效率的作用规律
当系统发生谐振时，为了得到输出功率、传输效率与负载电阻、频率的关系，固定线圈间距D。取D=14 cm时，得到输出功率、传输效率随负载电阻、频率的变化规律，如图5，图6所示。
从图5，图6可以看出，在固定线圈间距D的条件下，频率f达1.1 MHz左右，对应负载电阻300Ω，此时无线传输系统输出功率达到最大。且在此条件下，系统输出功率随负载电阻变化明显；同时，负载电阻在0～100Ω的阻值范围内时，对系统的传输效率变化影响明显。
继续固定负载电阻RL=300Ω，图7，图8为输出功率、传输效率随工作频率的变化曲线。
从图7，图8可以看出，系统谐振频率f为1.1 MHz，输出功率达到最大，且对于RL=100Ω，300Ω，500Ω，输出功率都随着频率的增加，先增大后减小，但对于每一个负载电阻输出功率达到最大时对应的频率不相同，因此，对于每个特定负载系统，需选择合适的频率，保证系统输出功率达到最大值；系统传输效率随着频率的增加不断增大，且频率在0.8～10 MHz范围内，系统的传输效率都较好。
设计无线电能传输系统时，负载电阻在0～300Ω，在不考虑其他作用因素的条件下，工作频率f满足在0.4～1.6 MHz之间，系统有较大输出功率、一定的传输效率；负载电阻在300～500Ω，工作频率f满足在0.8～2 MHz之间，系统有很大输出功率、一定的传输效率。
3.3 负载电阻、线圈间距对输出功率、传输效率的作用规律
当系统发生谐振时，同上，可以固定谐振频率f=1.1 MHz，得到输出功率、传输效率随负载电阻、线圈间距的变化规律，如图9，图10所示。
从图9，图10可以看出，系统的输出功率对线圈间距变化比较敏感，只有满足线圈间距D在0.1～0.35 m之间，有一定功率输出；线圈间距D在0～0.15 m之间，系统的传输效率很高，此时负载电阻RL的变化对系统传输效率的影响很小。
继续固定负载电阻RL=300Ω。图11，图12为输出功率、传输效率随线圈间距的变化曲线。
从图11，图12可以看出，系统输出功率随着线圈间距的增加，先增大后减小，这是由于在近距离情况下，随着距离的减小，互感M增大，导致系统产生频率分裂[11]，此时1.1 MHz不再是系统的谐振频率，系统输出功率减小；传输效率随着线圈间距的增加，不断减小。在系统谐振频率f=1.1 MHz、线圈间距D=0.15 m时，系统输出功率达到最大，同时，对应的系统传输效率为50%左右，表明在此距离下互感M使得负载电阻达到最优匹配。
设计无线电能传输系统时，针对负载电阻为300Ω，在不考虑其他作用因素的条件下，线圈间距D满足在0.1～0.15 m之间，系统都有较大输出功率、较高的传输效率。
4 实验验证
为了验证仿真分析的正确性，设计制作了一套串串式结构的磁耦合谐振无线电能传输系统。该系统由信号发生器（产生0～20 MHz方波信号），驱动芯片IR2110,MOSFET开关管IRF840，外围电子元件，电磁发射，接收系统，负载等组成，如图13所示。系统各参数如上仿真所述，固定负载电阻RL和线圈间距D，改变交流信号频率，验证输出功率、传输效率随频率的变化。
实验时，通过双通道示波器测量发射线圈两端有效电压，接入交流电流表，计算输入功率Pin=UI；同时也通过示波器测量负载端有效电压，计算输出功率Pout=U2RL。由此计算出系统的传输效率η。
将谐振频率f=1.1MHz取为归一化的频率基值，输出功率、传输效率基值也取谐振频率时的值。
表2为线圈间距D=14cm,RL=300Ω时，输出功率、传输效率实验值及归一化后标准值。
从表2可以看出，频率f=1.1MHz时，无线电能传输系统输出功率达到最大；传输效率随着频率的增加，不断增大。计算上述系统的仿真值，对比实验值及仿真值，得到实验与仿真的输出功率标准值、传输效率标准值随频率标准值的变化曲线，如图14，图15所示。
从图14，图15可以看出，实验输出功率、传输效率随频率变化和仿真输出功率、传输效率随频率变化趋势基本一致。在固定线圈间距、负载电阻的情况下，输出功率Pout随着频率的增加，先增大后减小，存在最大值，且输出功率对频率的变化较为敏感；传输效率η随着频率增加，不断增大。
实验标准值与仿真标准值存在一定差别：一方面由于在近距离情况下M≈πμ0r4N 2D3，误差较大；另一方面由于在高频情况下，绕制线圈导线会产生一定的趋肤效应，从而减小导线有效面积，增加等效电阻，影响能量传输。
5 结语
(1）本文从等效电路模型角度出发，建立磁耦合谐振式无线电能传输串串式拓扑模型，给出输出功率、传输效率的计算方法，系统分析了输出功率、传输效率与线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振之间的关系；
(2）通过实验与仿真分析表明，在保证系统谐振的前提下，输出功率、传输效率与频率、负载电阻及线圈间距密切相关，且输出功率随频率、线圈间距变化较为明显，针对每一个特定负载系统，需选择适合该系统的工作频率，保证系统有较好的输出功率、传输效率；
(3）本文系统阐述了各个因素对输出功率、传输效率的作用规律，在实际工程应用中，综合选择各个参数，使系统有最佳的输出功率、传输效率。
摘要：磁耦合谐振式无线电能传输技术作为一种新兴无线能量传输技术,具有传输距离远、传输功率大、传输效率高、无辐射性和穿透性等优点。基于等效电路模型建立了磁耦合谐振式无线输电串串式拓扑模型,给出了输出功率、传输效率的计算方法,搭建了磁耦合谐振式无线电能传输试验平台,通过仿真与实验,分析了线圈距离、工作频率、负载电阻以及系统谐振对输出功率、传输效率的作用规律,为磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计及参数优化提供了理论依据。
关键词：无线电能传输,磁耦合谐振,串串式模型,输出功率,传输效率
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无线电能传输装置 篇8
随着社会的发展,在需要电气隔离的场合以及危险区 域,传统的有 线电力传 输已不能 满足要求[1,2,3,4]。无线电能传输是指电能从电源到负载没有经过电气设备直接接触的能量传输技术。无线电能传输技术避免了金属导线的点对点直接传输,从而可避免金属导线出现摩擦、老化的现象,消除了火花,增加了用电设备的寿命。多年来科学家们对无线电能 传输开展 了很多的 探索工作,但进展缓 慢[5,6,7]。2007年,美国的Marin Soljacic教授等[8,9]利用谐振耦合实现了中等距离无线电能传输(即磁耦合谐振式无线电能传输)。与其他无线电能传输技术相比,磁耦合谐振式无线电能传输具有传输效率高、距离远、传输功率大的特点,且以磁场为媒介, 对人和周围环境的影响较小,具有很好的电磁兼容性,因此,其在煤矿、化工等特殊场合显示出广阔的应用前景。
1模型建立与理论分析
Marin Soljacic教授等采用的是四线圈模式传输结构,即电源与发射线圈隔离,负载与接收线圈隔离,如图1所示。还有一种传输结构是利用2个谐振线圈的两线圈模式。与两线圈模式相比,四线圈模式能更好地进行电源匹配和负载匹配,在很大程度上隔离 电源和负 载对谐振 线圈的影 响[10]。 这2种模式基本理论相同,为了分析简便,本文的分析均基于两线圈模式。
基于前后侧电容、电感连接方式的不同,磁耦合谐振式无线电 能传输拓 扑结构可 以分为4种[11]: 串-串(Series-Series,SS)结构、串 - 并 (SeriesParallel,SP)结构、并- 串(Parallel-Series,PS)结构、并-并(Parallel-Parallel,PP)结构[12,13,14],其等效电路如图2所示。
图2中,US为高频电源;RS为电源内阻;L1和L2分别为发射线圈、接收线圈的电感;C1和C2分别为发射线圈、接收线圈的等效电容(包括外加电容和分布电容);R1和R2分别为发射线圈、接收线圈在高频下的等效电阻(包括欧姆损耗和辐射损耗); RL为负载电阻。为方便计算,使发射线圈与接收线圈绕制一致,参数相同,即L1=L2=L,C1=C2=C, R1=R2=R。
利用电源给发射线圈供电,频率为系统谐振频率。发射线圈与接收线圈因为谐振而不断地进行能量交换,最终将能量传递给负载。
根据等效电路分别列出4种拓扑结构模型的基尔霍夫电压定律(KVL)方程。
(1)SS结构模型的KVL方程为
式中:ω 为系统角速度;M为两线圈间的互感。
由式(1)可以求出:
输出功率为
传输效率为
(2)SP结构模型的KVL方程为
由式(6)可以求出:
输出功率为
传输效率为
式中 : A=jωCRS+1 ; B=jωCRL+1 。
( 3 ) PS结构模型的KVL方程为
由式 ( 11 ) 可以求出 :
输出功率为
传输效率为
(4)PP结构模型的KVL方程为
由式(16)可以求出:
输出功率为
传输效率为
由输出功率和效率公式可得出,输出功率和传输效率是关于角速度ω、互感M、电容C、负载RL、 损耗电阻R、电源内阻RS的多变量函数。改变其中的参数必然影响传输系统的输出功率和效率。对于2个绕制完全相同的线圈,其电感L是确定的;在系统谐振频率下,电容C和损耗电阻R也认为是不变的;电源内阻是 常量,互感M与线圈的 距离D有关 , 可通过近似计算[15], 其中 μ0为真空磁导率;N为线圈匝数;r为线圈半径。
2仿真分析
通过Matlab仿真来验证理论分析表达式的正确性,并比较4种拓扑结构模型在同一系统参数下的输出功率、传输效率随变量的变化规律。
2.1参数设定
设线圈匝数N=1,线圈半径r=25cm,电感L=4μH,电容C=40nF,电源电压 有效值US= 12V,电源内阻RS=0.02 Ω,线圈损耗 电阻R= 0.2Ω。高频下线圈损耗电阻包括欧姆损耗电阻R0和辐射损耗电阻Rr[8,9]:
式中:σ为电导率;a为导线半径;ε0为空气介电常数;c为光速;h为线圈宽度。
2.2参数变化规律
2.2.1输出功率随频率的变化规律
固定传输距 离D =40cm , 负载RL=20 Ω ,图3给出了4种拓扑结构模型的输出功率随频率的变化曲线。从图3可看出,SS结构模型输出功率的峰值最大;SP结构模型在1 MHz频率下能输出最大功率;而PS结构模型、PP结构模型输出的功率相对较小。
2.2.2传输效率随频率的变化规律
固定传输距离D=40cm,负载RL=20Ω,图4给出了4种拓扑结构模型的传输效率随频率的变化曲线。从图4可以看出,SS结构模型的传输效率随频率逐渐递增;SP结构模型的传输效率随着频率的增大先升高再下降;而PS结构模型、PP结构模型的传输效率相对较低。
2.2.3输出功率随负载的变化规律
将频率固定 为系统谐 振频率 :, 传输距离D=40cm,图5给出了4种拓扑结构模型的输出功率随负载的变化曲线。从图5可以看出,SS结构模型对负载变化较敏感,在相对较小的负载下达到最大输出功率;SP结构模型在较大负载下仍能输出较高功率;PS结构模型、PP结构模型对负载变化不敏感, 负载变化时,其输出功率几乎不变化。
2.2.4传输效率随负载的变化规律
将频率固定为系统谐振频率398kHz,传输距离D=40cm,图6给出了4种拓扑结构模型的传输效率随负载的变化曲线。从图6可看出,SS结构模型的传输效率随负载变化的规律跟输出功率随负载变化的规律一样,都相对敏感,在较低负载下输出功率最大,传输效率最高;SP结构模型在较高负载下仍有较高传输效率;PS结构模型、PP结构模型传输效率跟输出功率一样,均较小,近似为0。
2.2.5输出功率随距离的变化规律
将频率固定 为系统谐 振频率398kHz,负载RL=20Ω,图7给出了4种拓扑结构模型的输出功率随传输距离的变化曲线。从图7可看出,SS结构模型相对SP结构模型传输距离较近,但传输功率较高;而PS结构模型、PP结构模型距离变化对输出功率影响不大且输出功率较低。
2.2.6传输效率随距离的变化规律
将频率固定 为系统谐 振频率398kHz,负载RL=20Ω,图8给出了4种拓扑结构模型的传输效率随传输距离的变化曲线。从图8可以看出,SS结构模型、SP结构模型的传输效率随距离增大而逐渐减小,而PS结构模型、PP结构模型都有一个对应于最高效率的最佳距离。
由以上分析可知,SS结构模型在较高频率下能输出较高功率,且频率无限大时效率接近于1;对负载变化敏感,对于较大负载输出功率和传输效率都骤减,在参数确定时有输出功率和传输效率都较高的最佳传输距离。SP结构模型随着频率升高,输出功率和效率都是先升高再下降,这是因为负载端并联电容在较高频率下被击穿,从而负载端输出的电压、电流都将骤减;SP结构模型随着负载增大,输出功率和效率也急剧上升,负载继续增大时,输出功率和效率会缓慢下降,且相比于SS结构模型,能够在更远的传输距离保持较高的输出功率和效率。在参数相同时,PS,PP结构模型输出功率和效率相对较低,近似为0,这是因为在高频下电容会被击穿,流过电感的电流相对减小,产生的磁场也较低,从而影响传输功率和效率。
2.3仿真结果
为更好地显示4种拓扑结构模型输出功率的关系,通过Matlab/Simulink建立仿真模型,用一个互感线圈模拟传输距离。在相同参数下观测4种拓扑结构负载端的电压、电流波形,以验证理论分析的正确性。设负载RL=20Ω,频率固定为系统谐振频率398kHz , 互感M =10-7H , 由得出D=42.5cm。负载端的电压u、电流i波形如图9所示。
从图9可看出,在相同参数下,SS结构模型、SP结构模型输 出的电压、电流都较 高,而PS结构模型、PP结构模型输出的电压、电流都较小,近似为0,与理论分析结果一致。
3结语