小功率谐振式无线输电系统实验研究

李阳阳，董一帆，卢闻州

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡214122）

0 引 言

无线电能传输（wireless power transfer，WPT）技术及其应用成为了当前国内外学者研究的热点问题［1－4］。谐振式无线输电是目前采用较为广泛的一种WPT方式［5］，当收－发线圈的电感、补偿电容等各项参数设置在合理状态时，收、发回路具有相同谐振频率，并都工作在谐振状态，电能便可以在收－发线圈之间高效传递［6］。

文献［7］使用Maxwell仿真软件对电磁能量的传输进行了仿真，并搭建了串串式小功率谐振式无线电能传输实验平台，但是传输距离较短，线圈距离大于5 cm时，几乎无法进行电能传输。文献［8］使用单管电压过零开关方案设计系统，但是使用线圈体积较大，直径达到50 cm，所需电压达到310 V，而较佳工作距离为5 cm，并且没有进行实际的效率特性测试。文献［9］使用 MATLAB分析出了在13．56 MHz下最佳的小功率无线输电的线圈参数，但是没有建立具体的实验平台进行验证。文献［10］中讲述了谐振状态与非谐振状态两种不同状态下的能量传递，通过对比可以得知只有在谐振状态下才能进行能量的传递，但是没有对影响电能传递的因素进行详细讲述。

当前针对小功率谐振式无线输电系统的理论研究较多，但是相应的实验探究，尤其是并并式拓扑结构的实验研究还不够深入。因此本文对一种结构简单、易于实现的并并拓扑结构小功率无线输电系统进行实验研究。首先对系统并并式拓扑结构进行建模，采用互感模型建立等效电路，推导出输出功率及效率的表达式，得到其中的影响因子，然后通过实验，验证这些影响因子对该系统输出效率的实际影响效果。

1 并并谐振式无线输电系统

谐振式无线输电系统的等效电路模型主要有串串式（SS）、串并式（SP）、并串式（PS）、并并（PP）式这四种拓扑结构。本文对并并式拓扑结构进行理论分析及实验研究。

并并谐振式无线输电系统工作过程为：传统工频电网中的交流电，经过整流滤波，得到稳定直流电，再经过高频逆变得到高频交流电，经过发射线圈与并联补偿电容的谐振作用，以及与发射线圈相同的接收线圈与并联补偿电容的谐振作用，将电能通过高频交变磁场传递到接收线圈，经过整流、滤波处理后，便可以给负载直接进行供电。

并并式拓扑结构的等效电路模型如图1所示。图1中，Us为交流电源；R1、R2分别为发射线圈和接收线圈的等效电阻；L1、L2分别为发射线圈和接收线圈的自感；C1、C2分别为发射回路和接收回路的谐振电容；M为线圈间的互感；RL为负载电阻。

使用基尔霍夫电压定律对等效电路进行分析，列出方程如下：

图1 并并谐振式WPT互感电路模型

在接收回路中，根据结点电流法求出：

式中，rS、rD分别表示发射线圈和接收线圈的半径；μ0表示真空磁导率值为4π×10－7H／m；ns表示发射线圈匝数（匝）；nD表示接收线圈匝数（匝）；d表示线圈正对相距距离；MAX（rS，rD）表示rS、rD中较大的值。当线圈半径参数确定，两线圈的互感与距离成反相关，距离增大，互感减小。

结合上述分析，在式（9）、（10）中，当线圈参数确定时（即线圈材质、匝数、半径确定），输出功率和效率与谐振频率、传输距离以及负载有关。

2 WPT系统实验研究

2.1 实验平台搭建

为验证上述WPT理论分析的正确性，本文选取了一个基于并并式拓扑结构的简易的小功率谐振式无线输电系统进行实验探究。装置中收－发线圈以及其各自补偿电容各项参数均设置为相同值，其主要参数如表1所示。

表1 WPT系统各元件参数值

实验系统平台如图2所示，图中为发射装置、接收装置、万用表、示波器。其工作原理：控制收－发线圈的参数（线圈电感值、匝数、线圈半径、补偿电容）相同，工作条件满足谐振的建立条件。系统工作时，调节基于555时基电路的驱动电路发出一定频率的驱动信号，以此控制逆变电路进行高频逆变，使发射线圈产生谐振。在发射线圈中产生交变电流，建立交变磁场，由于高频交变磁场的存在，接收线圈中产生感应交变电流，经过整流滤波后成为稳定直流电供给负载。

图2 小功率谐振式无线输电系统装置

所搭建的小功率无线输电实验平台可以顺利地实现高效的电能传输。负载端串接LED灯或者使用万用表直观观察传输效果。进行效率特性实验时，负载采用纯阻性负载。

图3是发射线圈与接收线圈的电压波形图，接收回路中与发射线圈的谐振频率完全相似，且接收回路的波形类似于正弦波，由于接收线圈能量由发射线圈建立磁场进行传输，因此其电压变化略微滞后于发射线圈。

2.2 传输特性研究

2．2．1 系统传输距离对效率影响研究

保持电源电压为15 V不变。负载端串接10Ω纯阻性负载进行探究。改变线圈正向距离d（cm），测量发射功率Pt，负载电压Uo，输出功率Po，改变正向距离d（cm），移动方式如图4所示，得出正向传输距离与传输效率η的关系。实验结果如表2所示。

图3 发射线圈和接收线圈电压波形

实验发现，当电源电压恒定，发射回路发射功率基本不变。当正向传输距离d增大时，输出电压下降，功率减小。可以得出结论：谐振式无线输电系统受距离影响，距离越大，输出功率降低，效率降低。

图4 正向传输距离效率特性测试示意图

表2 传输距离与传输效率关系实验结果

2．2．2 线圈水平偏移对效率影响研究

为研究谐振式无线输电系统在线圈没有正对时的特性，对系统进行水平偏移实验探究。实验方法为将收－发线圈在水平桌面上相互正对，正向相距8 cm（即d＝8 cm）放置，然后沿着线圈所在平面水平移动接收线圈，移动方式如图5所示。测量发射功率Pt，负载电压Uo，得到输出效率η与水平偏移x（cm）的关系，如表3所示。

图5 水平偏移距离效率特性测试示意图

表3 水平偏移与传输效率关系实验结果

根据实验数据分析可知当本实验平台的谐振式小功率无线输电系统的接收线圈横向移动时，当移动距离为0cm，即收—发线圈正对时，传输效率最大，随着水平移动距离增大，效率降低。当移动距离在12 cm以下时，效率降低幅度不大，但是超过12 cm之后，效率下降很快，直到两线圈圆形平面没有任何相对区域时，传输效率接近0。由此可见谐振式无线输电系统在收－发线圈正对时效率最高；但是对收－发线圈的空间位置要求不高，一定范围内的线圈偏移对效率影响不大。

2．2．3 驱动频率对传输效率影响研究

为探究驱动频率对谐振式无线输电系统的影响，将收－发线圈正对放置。改变发射装置的工作频率f（kHz），测量其输出电压Uo以及输出功率Po，得出驱动频率对效率的影响。测量结果如表4所示。

表4 驱动频率与传输效率关系实验结果

由表4可以得出结论，对于本并并式谐振式小功率无线输电系统，收－发线圈相距8 cm时，63．17 kHz的驱动频率使得系统工作在最佳状态。当装置参数取值不变并且传输距离不变时，为使得装置获得最佳工作状态，频率并不能无限增大，也不能无限减小。存在一个最适合的驱动频率使得谐振式无线输电系统工作于最佳传输状态以获得最高效率。

3 结 论

本文通过对一个并并式谐振式无线输电系统进行试验探究，得出了其效率的部分影响因子。正向传输距离越大，传输效率降低；当线圈正对时，传输效率最大；当线圈水平偏移距离小于半径时，对系统效率影响较小；并且对于器件参数不变的系统，存在一个最佳频率使其工作在效率最大的状态。

本文所涉及的并并式谐振式无线输电系统的实验探究，没有对驱动频率进行实时控制，在距离变化时，可能会出现失谐现象，因此可以加入频率跟踪技术进行控制，进一步提高传输效率。