磁共振无线电能传输特性探索
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磁共振无线电能传输

2007 年,MIT(麻省理工大学)提出了磁共振无线电能传输技术。磁共振无线电能传输原本多使用 ISM 的 13.56MHz频段,现在明确证实可使用千赫兹频段和吉赫兹频段。而 EV 无线电能传输正朝着利用 85kHz 频段的方向发展。这个频段支持电力电子技术中的高效率电能转换技术。磁共振无线电能传输与电磁感应无线电能传输相同,都利用磁场进行电能传输。主要特征是,利用发射器和接收器的谐振产生的共鸣效应。具体来说,就是通过发射 / 接收线圈和谐振电容器的 LC 谐振,从而获得高效率、大间隙、适应位置偏移等特性。为了提高功率因数,电磁感应无线电能传输也有利用电容器的例子,而磁共振无线电能传输在电磁感应无线电能传输的基础上,满足某些特定的条件(谐振条件),实现了更优异的特性。磁共振无线电能传输原本多使用 ISM 的 13.56MHz频段,现在明确证实可使用千赫兹频段和吉赫兹频段。而 EV 无线电能传输正朝着利用 85kHz 频段的方向发展。这个频段支持电力电子技术中的高效率电能转换技术。



串联谐振和并联谐振

●  采用LC 谐振电路

如前所述,磁共振无线电能传输利用的是发射器和接收器的谐振,所以特性会因谐振方式不同而出现很大差异。谐振电路有多种类型,在此采用最基础的LC 谐振电路。首先,发射 / 接收线圈各自使用相应的谐振电容器,让发射器和接收器各自谐振。LC 谐振中存在串联(Series)谐振和并联(Parallel)谐振。构建发射器和接收器的组合电路有下面 4 种方式。

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·S-S 方式(发射侧串联,接收侧串联)

·S-P 方式(发射侧串联,接收侧并联)

·P-S 方式(发射侧并联,接收侧串联)

·P-P 方式(发射侧并联,接收侧并联)

●  从 4 种方式中选择

除了这 4 种方式,还可以通过增加 L 或 C 的方式,让其拥有不同的特性。而随着元件的增加 , 谐振条件也会变复杂。


四种方式的传输效率

●  哪种方式的传输效率高?

EV 的无线电能传输要求大功率传输,可以说高效率(损耗小)是必要条件。下面从效率方面讨论这 4种方式。实际上,如果都能恰当满足谐振条件,4 种方式的传输效率的最大值是一致的。

●  最大效率由耦合系数和Q 值决定

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最大效率 ηmax 是由

·发射 / 接收线圈的耦合系数 k

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·发射 / 接收线圈的 Q 值 Qi

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决定的:

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其中,ω 为电源的角频率;Ri 为发射 / 接收线圈的内阻。Ri 不是直流电阻,而是包含趋肤效应和邻近效应的交流电阻。Qi 也不是随频率升高而增大的,而是在特定频率达到峰值

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获得最大效率需要最适负载

●  效率随负载的等效电阻值变化

上述 4 种方式的最大效率是一致的,但并不是在所有操作条件下总能达到最大效率。磁共振无线电能传输的传输效率,不仅受发射器和接收器参数的影响,还会随负载的等效电阻值(电压与电流的比)变化。也就是说,要获得最大效率,必须连接有最适等效电阻值的最适负载。但是,负载大小因应用不同而大不相同。

●  比较 EV 无线电能传输的负载

EV 的无线电能传输要求大功率,但考虑安全性,在电气设备中使用高于直流 750V/ 交流 600V 的电压很困难。考虑目前的 EV,在此范围内操作不算过分。由于电压存在上限,为了获得大功率,则需要加大电流,满足几千瓦到几十千瓦功率要求的等效负载电阻值为几欧到几十欧。

●  选择 S-S 方式或 P-S 方式

各种方式的最适负载见表 1。随着发射器和接收器参数的不同会发生些许波动,但趋势基本一致。另外,使用功率变换器的阻抗变换也可以。但是,当变换比变大时,变换器的效率就会降低。因此,应尽量选择负载等效电阻值和最适负载值接近的方式。EV 无线电能传输的等效电阻为几欧到几十欧,所以使用 S-S 方式或者 P-S 方式容易获得最大效率。


考虑适用于动态无线电能传输方式

●  确定谐振电容器的电容十分重要

发射 / 接收线圈是考虑形状、发射和接收线圈的耦合系数(k)、Q 值的大小等方面设计的。因此,为了让系统的工作频率和发射 / 接收器的谐振频率一致,必须合理设计谐振电容器的电容 C。

●  能应对耦合系数k 的变化的方式只有 S-S 方式,为了维持磁共振无线电能传输高效率、大功率的特性,需要尽可能满足谐振条件。但是,在动态无线电能传输中,由于接收器总处于移动状态,所以发射 / 接收器的耦合系数 k 是不断变化的。谐振条件不受 k 影响的只有 S-S方式,这里给出。

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由于各谐振电容器的电容 C1 、C2 可根据发射 / 接收线圈的自感系数 L1、L2 设计,使用 S-S 方式的磁共振无线电能传输十分简单易用。到这里,就可以决定采用 S-S 方式了。

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