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小功率磁耦合谐振式无线供电系统的研究
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更新于2023-05-27
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针对传统接触式供电模式的不足,设计了一种小功率磁耦合谐振式无线供电系统,以此研究该系统的传输特性。主要利用电路耦合理论,建立系统的等效电路模型,并借助MATLAB仿真分析系统参数对传输特性的影响,包括谐振频率、负载阻值和耦合系数,最终搭建了小功率无线供电系统试验平台,对系统的传输特性进行了试验验证。传输特性试验结果与MATLAB仿真分析结果具有较高的吻合度,表明设计的小功率磁耦合谐振式无线供电系统能够进行良好的无线能量传输,同时也为小功率无线充电设备的发展提供新思路。
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小功率磁耦合谐振式无线供电系统的研究小功率磁耦合谐振式无线供电系统的研究
针对传统接触式供电模式的不足,设计了一种小功率磁耦合谐振式无线供电系统,以此研究该系统的传输特
性。主要利用电路耦合理论,建立系统的等效电路模型,并借助MATLAB仿真分析系统参数对传输特性的影
响,包括谐振频率、负载阻值和耦合系数,最终搭建了小功率无线供电系统试验平台,对系统的传输特性进行
了试验验证。传输特性试验结果与MATLAB仿真分析结果具有较高的吻合度,表明设计的小功率磁耦合谐振式
无线供电系统能够进行良好的无线能量传输,同时也为小功率无线充电设备的发展提供新思路。
0 引言引言
近年来,无线供电技术
[1-2]
作为一种新型的电能传输技术发展迅速,成为了许多应用领域的新兴研究热点。无线电能传输
(Wireless Power Transfer,WPT),又称为非接触式电能传输(Contactless Power Transfer,CPT),是指在没有直接电气连接
的情况下,电能从电源到用电设备的一种能量传输方式。与传统接触式供电模式相比,无线电能传输主要有两大优点:一是让
用电设备与供电电源之间无任何电气连接,减少了传统供电方式所带来的安全隐患问题,如电能传输中的线路损耗、线路老化
等,同时也大大提高了用电设备的可靠性、安全性和灵活性;二是能量在传输过程中能够穿过非磁性材料传输电能,如土壤、
玻璃、空气等,这大大降低了外部恶劣环境及其他因素对电能传输的影响,因此无线供电传输不受隔物影响。
磁耦合谐振式无线供电技术的理论基础是耦合和谐振原理,两个收发线圈通过磁场耦合和谐振将能量从发射端传输到接收端供
给负载使用,从而实现能量的高效无线传输。无线供电领域中,磁耦合谐振式无线供电技术是一个最前沿的课题
[3-6]
,该技术
应用前景十分广阔,目前在家用电器、工业机器人、交通运输、航空航天、医疗设备等领域都有了相关应用。但国内外的研究
团队大多处于基础理论和实验研究阶段,都在积极研制能够广泛使用的产品,其中一些研究团队已经取得了一定的科研成果
[7-
14]
。
本文旨在研究磁耦合谐振式无线供电系统的传输特性,主要选取SS谐振拓扑结构建立系统的等效电路模型,以此来分析影
响系统传输性能的主要因素;然后在此基础上设计了一个小功率无线供电传输系统试验平台,最终通过试验研究,验证了系统
设计的合理性与理论仿真分析的吻合性。
1 磁耦合谐振式无线供电系统建模与分析磁耦合谐振式无线供电系统建模与分析
1.1 磁耦合谐振式无线供电系统磁耦合谐振式无线供电系统
磁耦合谐振式无线供电系统的典型拓扑结构如图1所示。在结构上,磁耦合谐振式无线供电系统可以分为发射端和接收端两
部分,其中发射端包括直流电源、高频逆变电路和发射谐振器,发射谐振器是由初级补偿电容和发射线圈组成的共同体;接收
端包括整流电路、负载和接收谐振器,接收谐振器是由次级补偿电容和接收线圈组成的共同体。磁耦合谐振式无线供电系统能
够实现无线电能传输的关键是收发两端谐振器的自谐振频率达到一致。因此,一般在设计系统时,为了保证两端谐振器的自谐
振频率相同,通常会使发射谐振器和接收谐振器的物理参数相同,即收发线圈尺寸、形状、绕制方式、匝数等,相应谐振补偿
电容的参数也相同。此时发射谐振器与接收谐振器之间相隔的距离就是无线供电系统能量的传输距离。
磁耦合谐振式无线供电系统正常工作时,高频逆变电路把直流电逆变为一个具有特定频率的高频交流电作为发射端谐振器
的高频激励源,然后发射端谐振器产生交变的磁场,该交变磁场的频率与两端谐振器的自谐振频率相同,此时整个系统处在谐
振工作状态,通过磁耦合谐振将能量传递到相隔一定距离的接收端谐振器,最后经过整流电路后供给负载使用。
1.2 磁耦合谐振式无线供电系统拓扑结构分析磁耦合谐振式无线供电系统拓扑结构分析
取两线圈结构磁耦合谐振式无线供电系统构建耦合互感电路模型,则根据发射端与接收端的谐振电感与谐振补偿电容的不
同连接方式,可将系统分为串联-串联(S-S)、串联-并联(S-P)、并联-串联(P-S)、并联-并联(P-P)四种基本的拓扑结构,如图2
所示。


















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