无线电能传输技术发展和探究方向浅谈

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1、无线电能传输技术发展和探究方向浅谈　　摘要：目前无线电能能够传输技术成为一个新兴的研究方向。首先介绍了目前几种主流的无线电能传输技术，针对比较有前景的的磁耦合谐振式无线电能传输和借助磁材料的无线电能传输方式，从目前研究的几个重要方向分别就其研究问题、研究内容和研究趋势进行浅析，并对未来的发展进行了展望。关键词：无线电能传输；非接触；磁耦合；共振作者简介：王敏星（1964-），男，河南济源人，河南省济源市质量技术监督局，工程师；李大伟（1987-），男，河南济源人，河南省电力公司济源供电公司。（河南济源459000）中图分类号：TM724文献标识码：A文章

2、编号：1007-0079（2014）06-0263-03无线电能传输技术（WPT，WirelessPower10transfer）能够实现无导线连接情况下的电能传递，在医学应用、矿井采掘、移动设备充电等特殊场合具有较大的应用前景。随着移动通信设备、物联网、电动汽车等技术的快速发展，近年来发展非常迅速，并且取得了较大的进展。伴随着研究和市场化的不断深入，作为一种前景广阔的电能传输方式，在电磁兼容、人体健康和传输效率等方面都产生新的研究问题，需要进一步明晰研究方向并针对存在的问题深入研究。一、无线电能传输技术的方式虽然采用超声波和其他机械波能够无线传输能量，

3、但目前无线电能传输的主流方式仍是利用电磁场传输能量。从频率的角度来说，采用的频率包括从若干GHz跨越到若干kHz的广大范围。在较高频率段，利用微波传输能量（甚高频以上的频率范围，频率>300MHz）通常采用直接照射接收端的方式，通过控制发射天线的朝向使能量以电磁波的形式准确发射到接收天线。该方法传输方向性较强、传输距离较远，但易被障碍物遮挡，还需要较复杂的天线对准装置。而且高频电磁波的生物安全性较差，高功率的电磁波对人体有较大伤害，因此在民用领域应用的机会较少。磁耦合谐振式无线电能传输方式（MCRWPT，MagneticCoupledResonantWi

4、relessPowerTransfer）采用磁场频率在10MHz以下，通过电谐振体之间的耦合磁场来传输电能。这种方法可以在一定的距离（几厘米到几米）范围内传送能量，功率值可以达到几百瓦。而感应耦合无线电能传输方式（MIWPT，MagneticInductivewirelessPower10Transfer）借助磁材料提高磁场的耦合程度，可以传送较大的功率，效率较高。但由于磁材料的限制，工作频率不宜过高，通常在1MHz以下。在距离增大时，磁材料之间的气隙增加，耦合程度急剧降低，因此传输距离相对较近（常常在几毫米到几十厘米）。在民用和工业应用中，磁耦合谐振式

5、无线电能传输（MCRWPT）和感应耦合式（MIWPT）的传输距离基本满足常用设备的充电距离要求，从理论上能够获得更大的功率和更高的效率，因此具有较大前景，是目前研究的热点。本文从几个方面介绍此两项技术的研究与发展。二、研究内容和研究方向1.基本理论和技术研究率及效率的模型研究：目前对无线电能传输方式的研究模型主要有耦合模分析法[1，2]电磁场分析方法、[3，4]等效电路法[5]等。耦合模方法可见文献[1]所采用的基本方程表达式：（1）其中：为代表谐振体中的能量；为激励角频率；为自损耗系数；为谐振体m和n之间的耦合系数；为代表外加驱动的驱动项。其基本思想是

6、，给出系统的源、损耗及特征量，通过求解器损耗与特征量的关系，即求得系统效率及传输功率的解。电磁场方法根据电磁场理论求解电磁场方程，以此求得传输效率等结果。而等效电路方法主要针对磁耦合的特点，利用电路理论求解电路方程，以此获得系统的结果。10几种建模方法各有优劣：耦合模方法可以从能量角度进行分析，但是不够直观；电磁场分析方法理论上可以计算非常详尽的电磁场分布[3]，理论上可以计算出耦合磁场能量传输细节。但过于复杂性，不便于系统设计和参数优化。通常借助电磁场仿真软件以求得分部场的直观数值解。等效电路法应用直观，是目前采用较多的方法，但是由于对电磁场进行了低频

7、简化，对高频条件下电磁特性描述较粗略，不利于有关电磁场方面的研究。理论未来的研究方向将建立更加准确和合理的分析模型，甚至提出更加新颖的传输模式，从理论高度提高系统的指标，并以此指导设计和制造无线电能传输装置。第二，线圈结构及设计。根据电路互感模型的一般结构，如图2所示。通常可以得到以下矩阵形式的方程：（2）谐振条件下传输效率：线圈2在线圈1中产生的反映阻抗为，可见反映阻抗中负载侧电阻值位于分母中，对于源侧的影响变为负向变化。即负载侧电阻值越高，传输效率越小。实际电路中，通常源内阻和负载线圈侧的电阻RB2往往较大。因此，双线圈结构传输效率往往较低。但根据上

8、述分析，通过改变系统线圈结构和数量，可以改变不同线圈中的反映阻抗，进而改变耦合系