磁共振无线电能传输系统的稳态控制策略

具有恒压特性的磁共振模式无线供电系统翟渊;孙跃;苏玉刚;王智慧;李玉鹏【摘要】在磁共振模式无线供电系统的实际应用中,通常要求系统输出电压保持恒定,为提高系统传输功率的稳定性,还需要系统工作频率保持恒定.本文以发射线圈为并联补偿、接收线圈以及共振线圈均为串联补偿的磁共振模式无线供电系统为研究对象,基于互感模型,给出了系统发射线圈恒流,输出电压恒压的参数边界条件,从而在不需要控制器的条件下,通过恒频驱动,在线圈之间距离不发生改变的前提下,能够保证负载变化时系统仍然能够处于恒压状态.仿真和实验表明所提出方法具有良好的恒压特性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2014(029)009【总页数】5页(P12-16)【关键词】磁共振模式;互感耦合;边界条件;恒压特性【作者】翟渊;孙跃;苏玉刚;王智慧;李玉鹏【作者单位】重庆大学自动化学院重庆 400030;重庆大学自动化学院重庆400030;重庆大学自动化学院重庆 400030;重庆大学自动化学院重庆 400030;重庆大学自动化学院重庆 400030【正文语种】中文【中图分类】TM7241 引言感应电能传输技术是基于电磁感应原理，以电磁场为媒介，利用现代电力电子能量变换技术、高频变换技术和借助现代控制理论的一种新型、实用、灵活的供电技术[1-5]，但传输距离仍局限在较小尺度范围内，直到2007年MIT的科学家提出了磁共振模式的无线电能传输原理并成功利用该理论在 2m范围内点亮一个 60W的灯泡，磁共振模式无线电能传输技术的研究才成为国内外学者研究的热点[6-10]。

在实际应用中，通常要求系统输出给负载的电压保持恒定，较为典型的应用是针对不同的目标分别引入闭环负反馈控制，这里面主要包括一次侧控制以及二次侧控制：一次侧控制是在一次侧加入控制器，通过一次侧在线辨识或者通过射频通信方式获得负载及输出参数，然后通过调节一次输入电压、能量注入时间或者软开关工作点来控制一次侧发射线圈电流，从而使输出电压保持恒定[11,12]。

基于磁共振的无线电能传输系统研究陈磊;曾芮清【摘要】文中简述了无线电能传输的发展过程及现状,对三种无线电能传输技术的特点及优缺点进行了理论分析,并重点论述了磁共振式的无线电能传输系统.建立了基于磁共振的无线电能传输系统的数学模型,仿真分析了输出功率与传输距离,传输效率与传输距离之间的关系,研究了无线传输距离对磁共振无线电能传输系统的影响.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2017(034)004【总页数】3页(P10-12)【关键词】磁共振;无线电能传输;传输距离【作者】陈磊;曾芮清【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002【正文语种】中文自第二次工业革命之后，人类迈入了电气化时代，电能的使用深入到人们日常生活中方方面面。

随着电能的普及，电能的传输途径也在高速发展，大到几百千伏的高压输电线路及四通八达的电网，小到各种电器设备的电源线。

然而，如今的电能传输途径主要还是依赖导线来实现，而这种传输方法存在着一系列的问题。

例如，电力传输过程中的线路老化、传输损耗、尖端放电等问题，影响用电设备的安全，大大降低了供电的效率和可靠性。

另一方面，传统有线传输模式无法满足海底、矿井等特殊情况，受外界环境条件影响较大。

此外，在日常生活中，大量的电器设备供电势必会有许多电源线，各种电源线纵横交错、四处寻找插头等问题都给人们生活带来极大不便。

这一系列问题要求寻求一种摆脱导线进行电能传输的方式，因此，近几年来，无线电能传输技术越来越受到人们的关注，已经逐渐成为研究的热点。

早在1890年，美国科学家尼古拉斯·特斯拉(Nikkola Tesla)提出了无线电能传输技术，但由于当时电力电子器件速度、功率容量及经济原因等限制没能很好地实现[1]。

直到1968年，美国科学家与航空航天工程师Peter Glaser提出利用微波通过太阳能卫星向地球传输电能的空间太阳能电站概念[2]。

第35卷第1期2024年3月广西科技大学学报JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.35No.1 Mar.2024磁耦合谐振式无线电能传输系统的无模型自适应控制研究王胜1，高远*1,2，王月武1（1.广西科技大学自动化学院，广西柳州545616；2.广西汽车零部件与整车技术重点实验室（广西科技大学），广西柳州545616）摘要：为解决磁耦合谐振式无线电能传输（magnetically coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT）系统因频率失谐而使得传输效率降低的问题，提出一种无模型自适应频率跟踪方法。

该方法以发射端电流和电压间的相位差值为控制器输入，以控制器输出来调控发射端的交流电源频率；控制器设计不依赖于系统的精确数学模型，而且可通过伪雅可比矩阵的自适应估计律来提高应对发射端频率失谐的控制自适应性。

MCR-WPT系统的控制仿真结果表明，相比传统的PI控制，该方法不仅在较长的无线传输距离情况下能实现维持系统发射端的谐振工作状态，而且具有更好的谐振频率跟踪性能，对保持较高的系统无线电能传输效率具有明显优势。

关键词：磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）；传输效率；频率跟踪；无模型自适应控制中图分类号：TM724；TP273.2DOI：10.16375/45-1395/t.2024.01.0100引言去导线连接是现代智能充电技术发展的一个重要趋势[1-2]。

磁耦合谐振式无线电能传输（magnetically coupled resonant wireless power trans‐fer,MCR-WPT）因其传输距离较远、传输效率较高，已成为当前无线充电的主流技术之一，在电动汽车、AGV小车、手机等领域的无线充电方面具有广泛的应用前景[3-5]。

在实际应用中，受到工作温度、趋肤效应等因素影响，MCR-WPT系统谐振电路的器件参数会发生时变，使得系统频率失谐而导致电能的传输效率降低[6-7]。

磁感应式无线电能传输系统拓扑与控制的探究摘要：本文探究了一种基于磁感应原理的无线电能传输系统。

该系统包括两个主要部分：传输端和接收端。

传输端通过产生恒定频率的交变磁场，将能量传输到接收端的电感装置中。

本文着重探究了系统拓扑结构的设计以及控制策略的优化。

起首，我们提出了一种新的多拾取线圈结构来增强能量传输效率。

然后，通过分析系统动态特性，我们建立了一种简易且有效的控制模型，有效地解决了传输效率低、传输距离短等问题。

最后，通过仿真探究了系统参数对传输效率的影响，并与传统无线电能传输系统进行了比较分析。

探究结果表明，所提出的拓扑结构和控制策略能够显著提高系统的能量传输效率，进一步推动磁感应式无线电能传输技术的进步。

关键词：磁感应式传输；无线电能传输；拓扑优化；控制策略；仿真分析1. 引言无线电能传输作为一种新兴的能源传输方式，具有很大的潜力。

它不仅能够实现传统电线无法实现的遥距离传输，还可以有效地解决一些特殊环境下的能源供应问题。

无线电能传输技术目前已经具备了一定的工业应用前景，例如医疗设备、物联网传感器等领域。

基于磁感应原理的无线电能传输系统主要由两个部分组成：传输端和接收端。

传输端通过沟通电源产生恒定频率的交变磁场，将能量传输到接收端的电感装置中，接收端通过整流电路将交变信号转化为直流电压，从而实现能量的转换和存储。

然而，磁感应式无线电能传输系统存在一些问题，例如传输效率低、传输距离短等。

针对这些问题，本文提出了一种新的拓扑结构和控制策略，以提高系统的能量传输效率和传输距离。

2. 系统拓扑结构的设计2.1 多拾取线圈结构传统无线电能传输系统的拓扑结构通常由一个发射线圈和一个接收线圈组成。

然而，由于空间中的能量传输效率受到距离、方向等因素的影响，因此单一线圈的传输距离分外有限。

为了克服这一问题，本文提出一种新的多拾取线圈结构。

该结构由多个发射线圈和接收线圈组成，如图1所示。

[图1] 多拾取线圈结构示意图在多拾取线圈结构中，每个发射线圈都能够向接收线圈发射磁场。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计无线电能传输是一种通过电磁场传输能量的技术，已经在无线充电和电力传输等领域得到应用。

磁耦合谐振式无线电能传输系统是一种高效、稳定的无线电能传输方式，本文将详细介绍其设计。

首先，我们需要设计传输系统的基本结构。

磁耦合谐振式无线电能传输系统由两个主要部分组成：发送端和接收端。

发送端由电源、谐振电路和电磁辐射装置组成；接收端由谐振电路、整流电路和负载装置组成。

在发送端，电源提供电能给谐振电路，谐振电路通过调节谐振电容和谐振电感的数值来产生与接收端谐振频率相匹配的电磁场。

电磁辐射装置将电磁场辐射出去，以传输能量。

在接收端，谐振电路接收到发送端辐射出的电磁场，并与发送端的谐振频率相匹配。

整流电路将接收到的电磁能量转换为直流电能，供给负载装置使用。

为了实现高效的能量传输，需要对谐振电路进行精确的设计。

首先，需要通过计算确定发送端和接收端的谐振频率。

谐振频率的计算公式为：f=1/(2*π*√(LC))，其中f是谐振频率，L是谐振电感，C是谐振电容。

通过调节谐振电容的数值，可以精确控制谐振频率。

另外，谐振电路中的谐振电感可以通过螺线管或变压器等电感元件来实现。

电感元件的选择需要考虑到频率范围和能量传输效率等因素。

同时，为了增加能量传输的效率，可以采用功率放大器来提高传输功率。

功率放大器将发送端的电能转换为电磁能量，并将其放大到适合的功率水平。

为了确保安全性，还需要考虑电磁辐射的控制。

可以使用屏蔽罩或改变电磁场的辐射模式来减小电磁辐射范围。

此外，在实际应用中，还需要考虑传输距离和传输效率等因素。

在设计过程中，可以通过试验和模拟来进行优化。

总之，磁耦合谐振式无线电能传输系统是一种高效、稳定的无线电能传输方式。

通过精确设计谐振电路和选取合适的电感元件，可以实现高效能量传输。

同时，需注意对电磁辐射的控制，以确保系统的安全性。

磁共振耦合无线电能传输系统研究作者：周家麒刘丽莎林海洪来源：《科技风》2016年第15期摘要：磁共振耦合是一种新型的无线电能传输方式，打破了电磁感应和电磁波等无线电能传输方式传输距离和传输效率不可兼得的矛盾，为中距离内高效率无线电能传输提供了一种解决方案。

本文利用互感耦合模型，推导出磁共振耦合无线电能传输系统磁耦合结构的等效电路模型，利用这个模型可以得到磁耦合结构的传输效率和传输功率的表达式。

关键词：磁共振耦合；空心螺线管线圈；等效电路模型；电能传输1 研究背景传统的电气设备都是通过插头或插座等电连接器接触进行供电。

这种传输方式由于存在摩擦、磨损和裸露导线，很容易产生接触火花，影响供电的安全和可靠性，缩短电气设备的使用寿命，而且无法满足一些特殊应用场合电能传输的需求。

目前无线电能传输主要有以下方法：大尺度的无线电能传输方式[ 1 ]、小尺度的无线电能传输方式[ 2 ]、中尺度的无线电能传输方式[ 3 ]。

近场谐振技术是由MIT的研究人员最先提出的，为了实现电能的远距离输送，一般在研究WPT技术时都主要着眼于电磁场的辐射区，而很少涉足电磁场辐射区之前的近场，但恰恰近场内电磁波具有的特性会使电能无线传输的效率成倍增加，在MIT的实验中，1米的距离上甚至可以达到90%的惊人效率[ 4 ]。

2 模型建立磁共振耦合无线电能传输系统结构为工频AC/DC整流滤波电路从市电取得交流电能并转化为脉动的直流电能，通过DC/DC稳压电路得到稳定的直流电能，为高频振荡电路和功率放大电路提供稳压电源。

高频振荡电路产生MHz级的正弦波信号，并通过高频功率放大电路产生具有的一定输出功率的正弦激励源。

正弦激励源经由发射线圈进行电磁变换，把能量以磁场的方式无线传输到接收线圈，接收线圈感应到此能量并进行磁电变换，为纯阻性负载提供高频电能[ 5 ]。

2.1 空心螺线管线圈的高频阻抗模型本次设计采用螺线管线圈作为磁耦合结构的谐振线圈。

利用共振原理实现无线电力传输这个系统利用了共振(当一个物体与另一个物体的固有频率一样时，就会产生震动)原理。

当两个物体的振动频率相同时，它们传递能量的强度不会受到周围事物的影响。

索亚克教授解释说：“如果房间内放了许多相同的杯子，你向瓶中倒入不同度数的葡萄酒，这时这些杯子就会产生不同的振幅。

”例如，如果用勺子敲击，每个杯子都会发出不同的声音。

“如果我进入房间，开始用非常高的声音歌唱，当我的声音与其中一个杯子的频率相同时，它就有可能爆炸。

”据英国广播公司2007年6月19日报道，这个无线电力传输不像现在的电力设备，它可以避免被鼠巢破坏，减少很多麻烦，因为它并不需要电线连接。

研究人员在《科学》杂志上对这种设备作了详细介绍。

在实验测试中，这个设备让距离它2米(7英尺)的一盏80瓦电灯泡发出光亮。

该装置被称作WiTricity，研究人员根据物理学原理研发了它，这种设备还适合为膝上型电脑等装置提供电源。

WiTricity利用的是低频电磁波共振，而不是利用声学共振。

在实验中，两个感应器都以10兆赫的频率震动，产生共振，让能量在两者之间传递。

伦敦帝国学院的约翰·本德莱教授解释说：“随着每一次共振，感应器中会有更多的电压产生。

”经过产生多次共振，感应器表面就会集聚足够的能量，让灯泡发出光亮。

这个能量的集聚也是为什么一位歌手用与杯子相同频率的声音歌唱时，杯子不会立刻破裂的原因。

本德莱教授说：“酒杯不断集聚能量，直到能将自己打碎。

”据本德莱教授说，利用波长为30米(100英尺)的低频电磁波具有安全优势。

他说：“通常用千兆赫兹(更短的波长)的手机时，会有电场和磁场辐射同时产生。

”这个过程就是我们所知的“远声场”的一个典型特征，这种场是从振幅超过一个波长的设备里产生的，如果振幅小于一个波长，产生的将主要是磁场。

约翰说：“身体对电场的反应很强烈，这也是为什么你能利用微波炉烹制鸡肉的原因。

但是磁场不会对人体产生影响。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究与优化设计磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究与优化设计引言：随着科技的快速发展，无线电能传输技术逐渐成为一种具有广阔应用前景的研究领域。

传统的无线充电技术存在着能量传输效率低、距离短、干扰大等问题，而磁耦合谐振式无线电能传输系统则可以克服这些问题。

本文将对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行研究与优化设计。

一、磁耦合谐振式无线电能传输系统的原理磁耦合谐振式无线电能传输系统是通过谐振技术将能量从发射端传输到接收端的一种无线充电方法。

当发射端的谐振线圈中通电时，会在空间中形成一个交变磁场。

接收端的谐振线圈与发射端的谐振线圈相互耦合，形成共振现象。

通过调整发射端和接收端的谐振频率、谐振线圈的结构以及阻尼系数，可以使能量在两个线圈之间高效传输。

二、磁耦合谐振式无线电能传输系统的关键技术（一）谐振器设计：发射端和接收端的谐振器设计是系统中的关键环节。

合理设计谐振器的结构和参数，能够提高能量传输的效率。

同时，谐振器的选材也是一个重要因素。

（二）频率匹配与自适应调整：发射端和接收端的谐振频率必须匹配，否则能量传输效率将受到影响。

由于环境变化等因素，谐振频率可能会发生漂移。

因此，设计一个能够实时感知并自适应调整谐振频率的机制非常重要。

（三）功率传输控制：磁耦合谐振式无线电能传输系统的功率传输控制也是一个需要考虑的重要因素。

过大或过小的功率传输都会影响系统的效率和安全性。

三、磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化设计（一）优化谐振器结构：通过数值模拟和实验验证，优化谐振器结构，提高其谐振频率和谐振特性。

（二）优化耦合机制：通过改变谐振线圈之间的耦合方式和距离，进一步提高能量传输效率。

（三）优化功率传输控制策略：采用闭环控制方法，实时感知系统输入和输出功率的变化，并通过反馈调整发射端的功率输出，以达到最佳的能量传输效果。

（四）优化系统安全性：引入多重保护机制，避免因功率过大或其他因素引起的安全问题。

基于电容阵列的磁共振式无线电能传输系统的优化调谐蒋燕;周洪;胡文山;高星冉【摘要】在实际运行时,由于高频电路杂散电感、电容与环境变化等因素的影响,磁共振式无线电能传输系统的传输线圈参数常会发生漂移,从而影响系统的传输效率和传输功率.首先根据系统模型的仿真分析得到发射端电流峰值与系统对称度的关系,以此设计一种优化匹配的方法和电路,使得发射端电流峰值自适应跟踪调节,使系统性能达到优化匹配.实验验证了该方法的有效性,相比于失谐状态,所提方法可以大幅度提高传输效率,同时降低了系统对杂散电感、电容、环境变化等因素的敏感性.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2015(035)011【总页数】8页(P129-136)【关键词】参数自适应优化匹配;无线电能传输;电容阵列;磁共振【作者】蒋燕;周洪;胡文山;高星冉【作者单位】武汉大学动力与机械学院,湖北武汉430072;武汉大学动力与机械学院,湖北武汉430072;武汉大学动力与机械学院,湖北武汉430072;武汉大学动力与机械学院,湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TM13;TM721 无线电能传输系统固有频率失谐分析随着磁共振式无线电能传输技术和感应式无线电能传输技术的进一步发展[1-11]，国内外基于该技术的各项实际应用已经涉及电动汽车无线充放电与电网互动[6]、“无尾”智能家居、植入式医疗设备供电[12]以及特定工业场合的设备供电[13]等多个领域。

然而由于系统的工作频率对系统传输线圈的电感等参数的变化十分敏感，系统传输效率对频率选择性较强，传输效率很容易受固有频率变化的影响。

因此研究系统的稳定性已成为该技术应用研究中的一个热点问题[14-15]。

本文在前期的研究工作中，为了分析传输线圈参数漂移的程度，对同一批次生产的15套共计30个传输线圈与电容组成谐振电路的固有频率进行了统计，固有频率偏差如图1所示。

图1 固有频率变化分布Fig.1 Distribution of resonance frequency deviation容易看出，30组样品参数均存在一定的偏差，且偏移量超过1 kHz的比例超过50%。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010386372.8(22)申请日 2020.05.09(71)申请人 大连理工大学地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人 陈希有　牟宪民　齐琛　李冠林　章艳　(74)专利代理机构 大连理工大学专利中心21200代理人 戴风友(51)Int.Cl.H02J 50/12(2016.01)(54)发明名称利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统(57)摘要本发明利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，本发明体现在电能的接收侧。

发明部分主要包括并联铁磁谐振电路和串联阻抗补偿电容。

并联铁磁谐振电路包括磁饱和电抗器和与之并联的线性电容。

由于磁饱和电抗器的非线性特性，当并联电压上升到某值时，饱和电抗器的电流与并联电容的电流有效值相等而相位相反，即发生了并联铁磁谐振。

在本发明中，并联铁磁谐振电路的设计使得在额定输出电压范围内，并联铁磁谐振电路显感性，即越过谐振状态。

串联阻抗补偿电容用来补偿接收线圈的自感电抗，补偿后的总电抗显感性。

本发明能够达到输出电压的自稳定效果，并且无需任何反馈技术，无需采用开关器件，避免使用隔离电源。

权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 111628579 A 2020.09.04C N 111628579A1.利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，包括高频电能发射电源、发射端阻抗补偿电路和高频整流滤波电路，其特征在于，还包括可分离的耦合线圈、串联阻抗补偿电容C S 和铁磁谐振电路；所述的高频电能发射电源与发射端阻抗补偿电路、可分离的耦合线圈的输入端依次相连；可分离的耦合线圈的输出端连接串联阻抗补偿电容C S ，然后再接入铁磁谐振电路，铁磁谐振电路的输出端与高频整流滤波电路相连；所述的铁磁谐振电路采用磁饱和非线性电抗器和线性电容并联连接，所述的铁磁谐振电路并联于串联阻抗补偿电容C S 之后；所述的串联阻抗补偿电容C S ，是指与可分离的耦合线圈输出端串联连接的电容，用于部分地补偿接收线圈的自感电抗，补偿后的总电抗仍显感性；所述磁饱和非线性电抗器，是指以磁性材料为磁路的电感线圈，属于非线性电抗器；所述线性电容C与磁饱和非线性电抗器并联，其电流有效值随电压有效值按正比关系变化。

无线电能传输系统电压稳定在线控制策略的研究谭林林;颜长鑫;黄学良;王维;陈琛【摘要】为了降低控制的复杂度,有效地借助系统自身的参数约束关系,通过分析发现当负载为纯阻性时其变化并不影响发射端线圈回路的相位,并且借助发射端的相关参数可以准确计算出负载变化的大小.基于此,提出通过监测发射端输入电源的电压和电流大小及相位,实时调节电源的输出电压来实现负载电阻改变前后端电压的稳定控制,理论和实验结果表明该方法可以避免采用发射端与接收端的信息交互装置,可较好地实现负载端电压的稳定控制.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)019【总页数】6页(P12-17)【关键词】无线电能传输;阻性负载;在线调控;稳定【作者】谭林林;颜长鑫;黄学良;王维;陈琛【作者单位】东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000;东南大学电气工程学院南京210096;江苏省智能电网技术与装备重点实验室镇江212000【正文语种】中文【中图分类】TM315无线电能传输技术在能量的传递上克服了传统电缆线易产生火花及线路老化等不安全因素，同时极大地提高了使用的便捷性，因此无线能量传输技术是当前能量传输领域中一个重要研究方向，被广泛应用于工业、电子、医疗等领域[1-3]。

谐振式无线电能传输技术是诸多无线能量传输技术研究中的热点，尽管无线电能传输技术在传输效率及技术手段等方面还没有传统电缆线方式成熟，且很多问题仍亟待解决，但作为一种新兴的能量传递方式，具有很大的发展前景[4-9]。

为了实现能量传输更为高效，系统的发射和接收线圈则应具有较高的品质因数，为此线圈的谐振频率往往被设计地很高，高品质因数的谐振器线圈提高了能量传输的有效性。

基于磁共振的最大效率无线电能传输系统设计肖剑;王小云;全秀娥;黄勇刚;孙晶【摘要】The relationship between transmission efficiency and system parameters has been obtained by analyzing the frequency response of the transmission system equivalent circuit model,and the decrease of transmission efficiency caused by the frequency bifurcation phenomena in the over-coupling condition has been verified.The design of maximum-efficiency system to acquire the best resonant frequency and coil direction angle based on automatic control has been presented.The simulation based on Multisim12 soft-ware showed that the transmission efficiency can be improved in the over-coupling condition and it can reach 43%.%为优化无线电能传输系统参数对传输效率的影响，提高传输效率，首先，分析无线电能传输系统的电路等效模型的频率响应，求解出系统传输效率与参数之间的关系，验证了过耦合条件下的频率分叉导致系统传输效率降低；其次，提出了一种基于自动控制获取最佳系统共振频率及线圈方向角的最大传输效率无线电能传输系统设计方法.Multisim 仿真结果表明，在过耦合情况下，本系统能够有效提高系统的传输效率，其传输效率可提高43%以上.【期刊名称】《吉首大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】6页(P57-62)【关键词】传输效率;自动控制;共振频率;线圈方向角【作者】肖剑;王小云;全秀娥;黄勇刚;孙晶【作者单位】吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000;吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000;吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首416000;吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000;吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;TM74有线电能传输随着电子、电气业的快速发展，其资源浪费的缺点日益显现.2007年MIT科学家利用磁共振无线传输原理做了一个突破性的实验，点亮了位于2 m外功率为60 W的灯泡，电能传输效率约40%[1].文献[2-6]中注重对传输系统的参数分析，而忽视了通过对参数控制来优化系统.对于传统的电能传输系统，发送线圈与接收线圈要求处于同一水平线上，这样才能使得发送线圈所激发的磁感线更多地通过接收线圈，若2个线圈不满足此条件，系统的传输效率将大大降低.笔者根据天线方向控制原理，由微控制器控制步进电机，实现平面自由度的传输效率最大化，并将设计拓展到多负载的传输系统，优化了文献[7]中设计的多负载供电系统.1.1 电路等效模型无线电能传输系统通常由驱动、发送、接收、拾取等4个线圈组成，其传输装置如图1所示.为了减少电能传输系统中能量的损耗，驱动线圈和拾取线圈一般采用单匝线圈，其电感和电阻极小.1.2 等效电路模型的传输效率分析根据基尔霍夫定律，由图2可知其中：Zs=Rs+jwLs+；；Is，Id分别为发送线圈和接收线圈的回路电流；M为线圈的互感系数.将(1)式整理可得该系统的频率响应为由(2)式可知，当系统处于共振状态时，则Zs=Zd=0，此时输出电流Id达到最大值.在相同的输入和负载条件下，系统的电压增益也同时达到最大，此时系统的传输效率最大[5].对(3)式取模可得其中.无线电能传输系统中线圈电阻主要包括欧姆损耗电阻R0和辐射电阻Rr.在高频条件下，R0≫Rr，且其中：μ0为真空磁导率，r为线圈半径，n为线圈匝数，a为线圈导线半径.为了计算及分析方便，假设发送线圈和接收线圈的参数完全一样(Rs=Rd=R0，Ls=Ld=L，Cs=Cd=C)，则发送与接收线圈之间的互感系数为[8]从角频率w的次方数来看，角频率w对R0的影响远小于对X与(wM)2的影响，在研究角频率w对无线电能传输系统的影响时，可忽略角频率w对损耗电阻的影响，即将R0看成一个常量，则(4)式可写成其中.将(7)式对X求偏导可得由(8)式可知，X=0是方程=0的1个解，此时系统的共振频率为w0=，传输效率达到最大，该状态即为临界耦合状态.要使传输效率最大，则共振频率w0与耦合系数n应满足当η>1时，此时w0不是系统最大传输效率时对应的共振频率，且=0必存在2个非零根，这2个根必对应着2个共振频率，使得系统的传输效率达到最大，系统处于过耦合状态；当η<1时，=0无非零根，系统不存在共振频率，系统处于欠耦合状态.由(5)，(6)式可知，线圈的半径r和线圈越大，则线圈之间的互感系数M越大，系统的传输距离越远.然而r的增大会造成损耗电阻R0和系统的能耗增大，最终导致无线电能传输系统的传输效率降低.同理，线圈匝数增加势必造成线圈电感增大，系统的共振频率降低，传输距离减少[9]；导电率u越大，欧姆损耗电阻R0越少，系统能耗的越小，系统传输效率越大.由(6)，(9)式可知，频率分叉的主要原因是传输距离D的变化，D的变化引起M变化，从而使系统频率w 0与负载RL不匹配.当传输距离D小于某个值时，η>1，系统处于过耦合的状态下，传输系统的共振频率发生发叉现象，此时共振频率与临界耦合的共振频率有较大差别.传输系统若继续处于临界耦合状态下，则不能达到最佳的传输效率.所以当传输距离发生改变时，系统应具有频率自动校准功能，以维持系统的最大传输效率的状态.2.1 系统结构设计基于以上分析，为实现无线电能传输系统的远距离传输，选择半径较大、匝数较多的线圈；若要对无线电能传输系统的传输效率有较高要求，则选择半径和匝数较小的线圈.本无线电能传输系统采用折中原则，其结构见图3.在接收端，电流传感器检测接收回路的电流，然后由微控制器1的AD采样模块将采集到的数据通过蓝牙发送到微控制器2的接收端，并进行相应的处理，求出最大的Id所对应发送线圈方向角和系统工作频率，并将该频率和方向角设置为系统的工作参数.当微控制器2接收的数据较上次最佳工作状态时有较大的偏差时，系统则再次失谐，自动进行第2次频率和方向角调整.当微控制器1多次接收的Id≈0时，则表明系统已处于欠耦合状态，微控制器1处于低功耗模式.无线电能传输系统控制工作流程如图4，5所示，频率及方向角控制工作流程如图6，7所示.2.2 方向角跟随模块微控制器1控制步进电机的旋转，改变发送线圈的方向角，角度传感器(陀螺仪)记录当前线圈的偏角，并利用微控制器1接收的数据判定是否为最佳方向角.程序执行前，由步进电机和角度传感器测试出角度的最大值Angle_max与最小值Angle_min，并对Angle_max，Angle_min，Angle及Id等参数进行初始化，Angle的初值为Angle_min.2.3 频率跟随模块利用变容二极管的压电效应，通过微控制器1中的DA转换器输出电压改变变容二极管两端的电压，从而改变其电容，最终改变高频功率放大器的共振频率.频率跟随模块电路见图8.利用微控制器1的输入捕捉通道对高频功率放大电路的输出信号进行捕捉，根据捕捉信号的频率来设置高频功率放大输入信号的频率，从而保证高频功率放大器的高增益[10].与角度控制一样，程序执行前初始化由变容二极管测试得到的控制电压最大值 U_max和最小值U_min，并将控制电压赋初始值U_min.2.4 多负载传输模块当有多个负载与发送线圈的蓝牙接收设备相连接时，微控制器1则接收多个负载电流数据，并对其求和.依据单负载系统的传输原理，便可得到多负载系统的最佳系统工作频率和发送线圈方向角.本系统的主要元件包括驱动、发送、接收、拾取等4个线圈，蓝牙收发装置，电流传感器，角度传感器以及发送级和接收级微控制器.系统对发送级微控制器要求较高，要求具备串口通信功能、高频信号捕捉功能、高频率PWM发生功能，而接收级微控制器只要求具备串口模块和AD采样模块即可.普通的蓝牙工作在2.4 GHz ISM 波段，无线电能传送系统不会干扰蓝牙数据的传输.采用Multisim软件对上述电路模型进行仿真测试.参数设置如下：k=0.2，R0=5 Ω，RL=10 Ω，Cs=Cd=3 pF，Ls=Ld=200 μH.在过耦合的条件下，其幅频特性曲线如图10所示.在不同耦合系数的情况下，无线电能传输系统的电能传输效率η1与未校正系统的电能传输效率η2见表1.系统耦合系数与传输效率的关系曲线如图11所示.由图11可知，当系统的耦合系数稍微增大时，未校正系统将由临界耦合状态进入过耦合状态，传输效率迅速降低.由互感系数公式M=k及(6)式可知，发送线圈和接收线圈之间的距离越小，线圈间的耦合系数则越大.因此，当2个线圈的传输距离小于临界耦合时的传输距离时，系统传输效率提高较快.在处于过耦合状态下时，传输距离越小，控制系统的优化效果越明显.由上述参数组成的系统，其无线电能传输效率可提高43%以上.基于磁共振的无线电能传输系统的传输效率与线圈匝数、半径及线圈导线半径等参数有关，优化系统参数可以提高无线电能传输系统的传输效率.针对传输系统在过耦合的条件下的频率分叉现象导致传输系统的传输效率降低这一问题，笔者提出了最大效率无线电能传输系统的设计方法，消除了因频率带来的传输效率降低问题，实现了传输系统在二维平面上最大传输效率的设计.同时，该系统实现了传输系统的自动调整及多负载供电功能.Multisim仿真测试表明，在文中设置的仿真参数条件下，无线电能传输系统处于过耦合时，其电能传输效率达可提高43%以上. [1] KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances[J].Science，2007，317(6)：83-86.[2] FREDY S Q，JESS G C，JORDI S，et al.Wireless Power of Single-Chip Systems with Integrated Coil and External Wire-Loop Resonator[J].Applied Physics Letters，2008，92(7)：074 102 (1-3).[3] KARALIS A，JOANNOPOULOS J D，SOLJAIM.Efficient Wireless Non-Radiative Mid-Range EnergyTransfer[J].Annals of Physics，2008(323)：34-48.[4] 朱春波，于春来，毛银花，等.磁共振无线能量传输系统损耗分析[J].电工技术学报，2012，27(4)：13-17.[5] 傅文珍，张波，丘东元，等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报，2009，29(18)：21-26.[6] 王学通，冀文峰，薛卧龙.耦合谐振无线电力传输谐振频率跟随设计[J].微型机与应用，2013，32(8)：58-60.[7] 朱俊杰，陈程，李智，等.基于电磁耦合阵列定位的无线电能传输装置设计[J].电子技术与应用，2011，37(5)：68-70，74.[8] GROVER F W.Inductance Calculations[M].New York：Courier Dover Publication，2004：88-93.[9] 李凤娥.磁共振无线电能传输系统最大传输距离的电路参数分析[J].南昌航空大学学报：自然科学版，2012,26(3)：48-51.[10] 张肃文.高频电子线路[M].第5版.北京：高等教育出版社，2009：187. Key words：transmission efficiency；automatic control；resonant frequency；coil direction angle。