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基于能量流理论的谐振式无线电能传输原理分析与验证

对于磁耦合谐振式无线电能传输过程,一般采用电路或耦合模理论来分析。然而这两种方法都存在缺陷,无法深入地描述系统及元器件的时域能量状态,基于此,该文结合电路与耦合模理论提出一种新型能量流模型,进一步完善无线电能传输理论。


首先从Series-Series(SS)型补偿结构出发建立无线电能传输能量流模型,然后应用Matlab和Advanced Design System(ADS)软件对该理论进行仿真,将其与电路模型和耦合模模型进行对比,最后搭建实验平台对能量流模型进行了验证,实验结果与仿真结果获得了较好的一致性,证明了能量流模型的正确性。


同时表明,相较于电路模型与耦合模模型,能量流模型能够更深层地描述谐振式无线电能传输系统的工作机理,有助于为无线电能传输系统的优化设计提供更加完善的理论基础。


自特斯拉首次尝试为用电设备去掉电线已百年有余,但相关研究均未使无线电能传输技术实用化。直至2007年,美国Marin Soljacic教授领导的MIT团队从理论上获得突破,利用磁耦合谐振的方式实现了2m距离下传输效率40%的效果,无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术的实用化才真正开始。


目前无线电能传输技术主要可分为三类:感应式、远场辐射式和磁耦合谐振式。磁耦合谐振式相对于另外两种方式有其特有优势:相较于感应耦合式,其传输距离较远,一般可达数米;对于远场辐射式,谐振式传输效率较高,理论证明磁耦合谐振式在传输距离为1.98m时,传输效率仍可达97%,且传输路径允许存在障碍物,应用条件更为宽松。基于上述优势,谐振式无线电能传输技术在无线传感器、移动电子设备、充电汽车等领域得到应用。


目前针对谐振式无线电能传输系统工作机理的理论主要分为以下三种:耦合模理论、散射网络理论和电路理论。三种理论虽然均可对WPT系统的耦合特性进行了较好的描述,然而也各有缺点。


耦合模理论重点关注系统能量的耦合,无法描述带有补偿结构的复杂耦合系统,因此不利于系统设计;散射网络理论将整个耦合系统视作“黑盒子”,内部元件的状态不予考虑,因此,加大了系统设计难度;电路理论可以较为精确地描述复杂耦合结构和各个元件的状态,


然而,由于电路理论通常考量的是系统的功率分布,因此在一定程度上造成了系统工作不直观等不足。除此之外,还有基于耦合模模型的能量分析方法,然而,该方法仅讨论了四种基本补偿结构,并不具有普遍性,因而无法指导其他补偿结构的系统设计。


本文在电路理论和耦合模理论的基础上提出了一种针对无线电能传输系统的能量流模型,该模型不仅可以精确地描述不同元件的时域能量,还可以对整个系统进行能量层面的描述,相较于传统理论更加直观清晰。为了验证模型正确性,本文还进行了建模仿真与实验验证。


基于能量流理论的谐振式无线电能传输原理分析与验证

图8  SS型补偿结构实验系统


结论

本文结合电路理论与耦合模理论提出了一种针对无线电能传输系统的新型能量流模型,并据此推导出了各元件的时域能量和电压表达式以及各回路的电流表达式。能量流模型建立在电路和耦合模两种理论的基础上,微观上可以描述各个元件的能量时域状态,宏观上则以谐振线圈为基本单元可以描述系统耦合状态。


实验系统中电容、电感的电压波形基本与仿真结果吻合,证明了能量流模型的正确性。因此,该能量流模型能够弥补现有理论的不足,更加全面地描述系统工作过程,对于WPT系统参数设计优化更具有指导意义。


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