磁耦合谐振式无线能量传输系统的频率特性

1、磁耦合谐振式无线能量传输系统的频率特性摘要：磁耦合谐振式无线能量传输具有中等传输距离、高效非辐射能量等优点，本文在阐述磁耦合谐振式无线能量传输工作原理的根底上，研究了谐振的频率对系统性能的影响以及与各个系统参数之间的关系，主要对线圈电感、线圈固有频率、品质因数、传输距离与效率等方面进行了探究，并且研究了中距离条件下频率功率特性曲线，从而在理论上为无线能量传输系统中参数优化与实用工程提供了依据。关键词：无线能量传输；磁耦合谐振；谐振频率中图分类号：TM724文献标识码：A文章编号：2095-8595202105-050-003电子科学技术URL：/china-est DOI：10.16453/j

2、.issn.2095-8595.2021.05.013Abstract：Magneticcouplingresonantwirelesspowertransmissionmediumtransmissiondistance，highefficiencyadvantagesofradiationenergy，thisarticleontheworkingprincipleofthemagneticcouplingresonantwirelesspowertransmission，onthebasisoftheresonancefrequencywillaffecttheperformanceof

3、thesystemisst-udiedandtherelationshipbetweenthesystemparameters，mainlyonthecoilinducta-cecoilnaturalfrequency，qualityfactor，thetransmissiondistanceandefficiency，andsoonhascarriedontheexploration，andstudiestheintermediatefrequencyundertheconditionofpowercharacteristiccurve，whichintheoryforparameterop

4、timizationinwirelesspowertransmissionsystemandprovideabasisforthepracticalengineering.Keywords：WirelessEnergyTransmission；MagneticResonances；ResonanceFrequency引言相比有线能量传输，无线能量传输具有本钱廉价、适应性好、扩展性好等优点，但自特斯拉提出设想来，能量无线传输开展较慢，直到2021年，磁耦合无线能量传输技术被美国MIT学者正式提出，此后，无线能量传输得到全世界范围内的广泛关注【1】。磁谐振耦合式无线能量传输技术可具有传输距离较远、

5、效率较高等优点，这使得其应用前景广阔，不仅可以无线传感器网络、无人飞行器、电动充电汽车等方面得到广泛地应用，在家用电器、工业机器人、水下作业、油田矿井等领域也有极大的应用价值。1无线能量传输系统的组成磁耦合谐振式无线能量传输系统主要由初级子系统、磁耦合谐振线圈组和次级子系统三局部组成。其中，初级子系统可看做磁耦合谐振线圈组的逆变调理电路，其主要用于将市电鼓励源整流后，再进行高频逆变，产生最利于磁耦合振荡线圈组谐振的高频交流电压；磁耦合振荡线圈组那么有两个固有频率相同的电感线圈一个是发射线圈，另一个是接受线圈组成，它是整个无限能量传输系统的核心，用于将发射线圈的电能转化成线圈组之间的交变磁场，再

6、由交变磁场在接受线圈上感应出电能，即从发射线圈到接受线圈完成电场能-磁场能-电场能的能量变换；次级子系统也看作是整流调理电路，其主要用于将接受线圈上的高频交流电能进行电能变换后，再供给负载使用。系统工作的具体原理是：磁耦合谐振线圈组的发射线圈和接受线圈的固有频率是相同的，给发射线圈加高频正弦鼓励源鼓励，那么电容和线圈组成的发射装置就会高频振荡，产生交变磁场；此时，由线圈和电容组成的接受装置正处于发射装置所产生的磁场中，受此交变磁场的鼓励，接受装置将在接受线圈线圈中感应出电动势，如此，即完成了初级、次级子系统的无线能量传输。传输系统根本框图可见图1。2频率对传输距离的影响根据法拉第电磁感应定律可

7、得，电流的大小和变化率可决定交变磁场的强度。在此系统中，发射线圈的电流变化率是由初级子系统逆变出的高频电压的频率决定的，而初级子系统中高频电压的频率又是由驱动及开关电路控制信号的频率决定的，因此，从此方面分析可得：在一定范围内，系统能量无线传输距离与控制信号的开关频率成正比。而在实际的耦合谐振回路中，谐振频率和初、次级谐振回路的阻抗特性直接相关。在初级回路接入一个角频率为的正弦电压U1，初、次级回路中的电流分别以I1和I2表示，那么初次级回路电压方程式可写为式中Z11为初级回路的自阻抗，即Z11=R11+jX11，Z22为次级回路的自阻抗，即Z22=R22+jX22。解上列方程组可分别求出初级

8、和次级回路电流表达式：称为次级回路对初级回路的反射阻抗；称为初级回路对次级回路的反射阻抗。而反射阻抗是永远存在的且是正的，故可得随着频率的升高，谐振回路的电流逐渐减小，反而会降低交变磁场的强度，是无限能量传输系统的传输距离降低。根据大量实验可得：线圈可以用于近距离的大功率传输，但只有固有頻率较高的线圈才可以用于大功率的远距离传输，可得：在一定范围内，线圈固有频率与能量传输距离是成正比的。因此，选择系统谐振频率时还应考虑线圈固有频率。3频率对系统性能的影响3.1系统的频率特性仿真模型无线能量传输系统的仿真装置主要由高频逆变器、磁耦合谐振线圈组和负载整流装置构成。其中，在初级子系统的高频逆变器后端

9、要串联一个电感，使之成为电流型逆变器，以保确输入磁耦合谐振线圈组的发射线圈的电流连续。线圈L1、L2上分别并联有电容C1、C2，从而使线圈磁耦合谐振线圈组能够进入谐振状态。磁耦合谐振线圈组的接受线圈的电能经整流后供给负载，为保证能量传输的效率，在整流桥前端参加了补偿单元。为了分析本系统无线能量传输的频率特性，实验实际上测量的是磁耦合谐振线圈组在不同距离下的实际电感数值，并以此为实验数值，在电路仿真中研究了系统的频率-功率特性和频率-效率特性。在本系统中，实际上组成磁耦合谐振线圈组的是2个直径均为40cm线圈，而且其额定工作频率均为100kHz，磁耦合谐振线圈组的发射线圈和接收线圈之间相距25c

10、m，在以市电为鼓励源时，系统最大输出功率为3.3kW。在试验中，依次令磁耦合谐振线圈组的发射、接受线圈相距15cm、25cm和35cm，并测出不同距离下的线圈参数，将所测参数代入建立的仿真模型中，从而分析无线能量传输系统在不同距离下的频率特性。3.2系统的频率特性仿真结果本次仿真以系统额定工作频率100kHz为中心频率向两边调节逆变器输出电能频率，直到无线能量传输系统效率接近于0，在不同工作频率下无线能量传输系统的传输效率和系统输出功率，如图2、图3、图4所示。3.3系统的频率特性仿真结果当磁耦合谐振线圈组发射线圈和接受线圈之间的距离，即能量无线传输的距离为15cm时，本系统的频率-效率特性曲

11、线大体是一个双峰的特性，此距离条件下，系统的最大传输效率可到80%，属于过耦合状态；能量无线传输的距离为25cm时，系统的频率-效率特性曲线先随频率升高而升高，再随频率升高而降低，整个特性曲线有一个峰值，再此距离条件下，系统的最大传输效率仍可达80%，属于临界耦合状态；能量无线传输的距离为35cm时，系统的频率-效率特性曲线与能量无线传输的距离为25cm时相似，只有一个峰值，但系统最大传输效率却略低于80%，属于欠耦合状态【4】。系统的功率-频率特性曲线始终有两个峰值，系统工作在频率较低的功率峰值时，虽然系统传输的功率较大，但是系统传输功率的效率很低，在实际系统中，一般不采用此频率；系统工作在

12、频率较高的功率峰值时，系统传输能量的效率也较高，选此频率段传输能量比较适宜。当传输距离为15cm时，最大功率传输频率为100kHz；当传输距离为25cm时，最大功率传输频率为100kHz；当传输距离为35cm时，最大功率传输频率为95kHz。据此可以得出，随着传输距离的变化，最大功率传输频率会发生适当偏移。系统工作频率对系统输出功率的影响比对效率的影响要大得多。以传输距离为25cm为例，当系统的工作频率在95kHz100kHz变化时，传输效率变化幅度非常小，但随着系统工作频率的提高，系统的输出功率却下降的非常快。3.4实际系统的频率特性运行结果以仿真模型中电路元器件参数为准，在搭建实际电路运行

13、时，发现实际运行结果与仿真模型略有偏差。其中，系统能量传输的效率略有下降，当传输距离为15cm时，实际最大效率值在78%左右；当传输距离为25cm时，实际最大效率值仍可在维持在78%左右；当传输距离为35cm时，实际最大效率值那么在75%左右。而系统的传输功率下降幅度略有提升。但是实际电路运行效果与仿真模型得出效果比照，虽实际系统能量传输的性能降低，但系统频率运行特性仍满足上述结论。4结束语本文从实验、仿真和理论三个方面对磁耦合谐振式无线能量传输系统做出了研究，并通过理论分析，得出了影响无线能量传输性能的因素：线圈的品质因素和固有频率和传输距离；又从仿真实验得出了系统运行的频率特性曲线，包括在

14、15cm、25cm和35cm的传输距离下的频率-效率和频率-输出功率曲线。在仿真试验中又得出结论：系统谐振频率确实定，跟踪与控制是无线能量传输系统需要亟待解决的问题，如何准确、迅速地调节系统的谐振频率将会是未来研究的重点问题。参考文献【1】邓凯，廖承林，王丽芳.一种中距离无线能量传输系统的频率特性J.电工电能新技术，2021，339：09-0035-06.【2】邹玲，郑伟，李丽.磁耦合谐振式无限能量传输系统频率特性研究J.湖北工业大学学报，2021，281：01-0082-04.【3】ImuraT.Studyonmaximumair-gapandefficiencyofmagneticresonantcouplingforwirelesspowertransferu