摘 要： 谐振耦合式无线电能传输技术是一种新兴电能传输方式，提高传输功率和效率已成为其应用发展的瓶颈问题。通过仿真与实验探究了提高频率和改善线圈参数两种不同提高系统品质因数的方法对能量传输效率、功率与传输距离之间的影响规律。结果表明，提高系统共振频率可明显提高系统能量有效传输距离，但导致最高输出功率明显下降，而对传输效率影响不明显；改善线圈参数可显著提高最高输出功率，而对输出效率和有效传输距离影响不明显。系统频率响应仿真与实验结果显示，小幅偏离共振频率点引起输出功率急剧下降。系统共振频率随接收端与发射端间耦合系数增加出现分裂现象，造成能量传输功率下降。

　　关键词： 谐振耦合；品质因数；频率响应；频率分裂

0 引言

　　无线电能传输概念最早由尼古拉·特斯拉提出并开展实验研究[1]。与传统的有线供电技术相比[2]，无线电能传输可实现电源与用电负载间完全的电气隔离，避免接触放电等安全隐患，具有安全、可靠、灵活等无可比拟的优点[3]。经过多年的研究发展，无线电能已衍生微波、无线电波、激光、超声波等辐射传输模式和电磁感应、谐振耦合两种非辐射传输模式[4]，它们都有各自的优缺点[5-6]。

　　电磁感应式是过去二十几年来无线电能传输技术发展的主要形式，目前已有电动牙刷、电动剃须刀等商业化产品推向市场。虽然感应式无线电能传输的效率一般较高，能达到80%甚多层电感器至90%，但其传输距离很短，使其不能满足最广泛的应用需求；在此背景下，MIT的Marin Soljacic教授团队提出利用磁共振耦合方式提高传输距离的思想，先后实现了2 m、60 W至5 m、800 W的无线能量传输[7]，从而掀起了磁谐振耦合式无线电能传输技术的研究热潮。相较电磁感应传输模式，该模式有效能量传输距离明显提高，已进入中程距离的传输范围，应用范围将更加广泛，但其传输效率和功率存在较大下降，效率仅能达到40%左右,且随着传输距离的增加而急剧下降。因此，如何有效提高传输功率和效率，是目前磁谐振耦合无线电能传输技术的发展瓶颈。对此技术的研究无论是在国内还是在国际上目前仍处于起步阶段，耦合模理论[8-9]、电路理论[10]等理论模型已相继指出保证谐振系统工作在共振频点附近是系统进行高效率能量传递的基本条件，在其基础上提高品质因数可提高系统传输效率。

　　本文采用电路理论及仿真技术分析了提高共振能量传输效率的方法，并通过实验对提高频率和改善线圈参数两种不同提高系统品质因数的方法对能量传输效率、功率与传输距离之间的影响规律，这对于合理设计线圈参数和驱动电路具有十分重要的指导价值。最后通过频率响应和频率分裂的仿真分析揭示了系统工作在共振频率点的重要性。

1 理论分析

　　谐振耦合式无线电能传输通过具有相同谐振频率的两个线圈共振实现电能传输，工作过程为：发射电路产生高频信号供给发射线圈，线圈中交变电流在谐振体（线圈加外接电容）周围产生高频交变磁场；当接收线圈与发射线圈的谐振频率一致时，接收线圈与发射线圈产生共振，线圈之间开始能量传递；负载电路把接收线圈中的能量转换为适合负载工作的电压。谐振系统可分为串联谐振方式与并联谐振方式，与电磁感应耦合相同，谐振耦合按电容的接入方式可分为SS、SP、PS、PP 4种[11]。本文以SS型为例进行分析。图1为相应的等效电路图。其中R1、R2、C1、C2都为线圈在高频下的寄生参数，L1、L2为线圈的电感量，Rs为驱动电路等效电阻，RL为负载的电阻值。

　　两线圈谐振时谐振角频率?棕=(L1C1)-1/2=(L2C2)-1/2。列KVL方程推导出[12-13]接收端的功率与效率：

　　其中发射端与接收端的耦合系数为：k=M(L1L2)-1/2，电路品质因数为：Q1=wL1(RS+R1)-1，Q2=wL2(R2+RL)-1。

　　M为两线圈之间的互感[14]，当两端的线圈采用密绕空心线圈，可用下面的互感公式计算系统两端的互感：

　　其中，真空磁导率，N一体成型贴片电感器生产厂家1、N2为收发线圈的匝数，r1、r2为收发圈的半径，D为两线圈之间的距离。 大功率电感厂家 |大电流电感工厂