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过耦合无线电能传输功率降低机理与提高方法

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统在过耦合区负载接收功率降低的问题,对无线电能传输模型进行理论分析,得到负载接收功率与输入阻抗定量关系,并根据功率降低机理提出解决功率降低问题的根本措施。


为验证功率降低机理理论分析的正确性和功率提高方法的有效性,最后进行建模仿真和实验验证。理论分析、建模仿真和实验验证具有较好的一致性,因而建模仿真和实验实现了对理论分析和结论的验证。


无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术近几年来已经成为国内外学者研究的热点[1-5]。作为一种新型的无线电能传输方式,磁耦合谐振式无线电能传输(Wireless Power Transfer via Coupled Magnetic Resonances, CMR-WPT)技术由于其较远的传输距离和较高的传输效率而备受青睐,广泛应用于植入式医疗设备、智能家居、无线传感网、电动汽车等领域[6-10]。


根据传输距离的不同,磁耦合谐振式无线电能传输系统通常有三种工作状态:欠耦合、临界耦合和过耦合[11]。当系统工作在欠耦合时,传输功率随着传输距离的减小而增大;而当系统工作在过耦合状态时,传输功率却随着传输距离的减小而下降[12]。


这一反常现象吸引了国内外众多学者对此进行分析和验证[13-17]。文献[13]中,A. P. Sample和他的同事们构建了四线圈电路模型,利用电路理论分析了系统传输特性,指出了系统在过耦合状态下存在功率降低的现象。


而在文献[14]中,张波教授团队利用耦合模理论分别对两线圈和四线圈电路模型进行分析,得到了过耦合时负载接收功率存在降低的结论,并通过建模仿真和实验验证了结论的正确性[15]。文献[16]中M. Iordache等基于两线圈电路模型,利用代数方程理论精确分析了过耦合时负载接收功率的频率响应特性,直观地阐述了功率降低的现象。


清华大学赵争鸣教授团队基于四线圈电路模型,从电路理论与实验两方面分析了过耦合状态下功率降低的问题,并从系统阻抗的角度对频率分裂现象做出了定性解释,但功率降低的机理需要进一步研究[17]。


国内外的研究人员也针对这种反常现象在解决与改进的方法方面做了不少研究工作。文献[13]通过调节发射环与发射线圈、接收环与接收线圈之间的耦合程度,使系统达到最优传输条件,实现最大功率传输。这种方法虽然可在一定程度上提升功率,但提升空间有限,而且仅适用于静态无线传能,不适用于动态。


文献[18]提出了调节功率源频率的自动跟踪方法使系统工作在最佳谐振点,以提高负载接收功率。文献[19]对发射与接收线圈采用非对称设计方法以减缓或消除频率分裂,该方法仅适合中距离下固定传输距离的情形,不适合动态条件传能。


上述文献的研究成果对提高过耦合区间无线电能传输功率做出较大贡献,本文在上述研究成果基础上,利用无线电能传输基本结构建立其数学模型,理论分析过耦合区间传输功率与阻抗变化定量关系得到引起功率下降的本质原因,进而找到一种有效解决功率降低的方法。为了验证理论分析的正确性,本文最后进行了建模仿真与实验验证。


图6  仿真模型与实验平台

过耦合无线电能传输功率降低机理与提高方法


结论

本文对磁耦合谐振式无线电能传输系统过耦合功率降低的问题进行了深入分析,并建立了相关的仿真模型和试验系统,验证了理论分析的正确性。具体结论如下:


1)无线电能传输系统工作在过耦合状态时,负载接收功率随距离减小而降低的本质原因是系统输入阻抗失配。


2)无线电能传输系统达到最大传输功率的必要条件是系统输入阻抗的实部与电源内阻的实部相等,虚部为0。


3)系统工作在过耦合范围内,利用非能耗性元件调节输入阻抗是一种有效提高负载接收功率的方法,该方法优于频率跟踪方法。


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