磁耦合谐振式三线圈无线电能传输系统中的交叉耦合 - 电力系统自动化.PDFVIP

第 卷 第 期 电 力 系 统 自 动 化 Vol. No. 年 月 日 Automation of Electric Power Systems , DOI: 10.7500/AEPS 稿件编号 磁耦合谐振式三线圈无线电能传输系统中的交叉耦合效应及电抗补 偿方法 罗斌, 刘婉，钟晨明，宁峰，吴仕闯 (南昌大学信息工程学院电子信息工程系 江西省南昌市 330031) 摘要: 在具有中继线圈的磁谐振耦合无线电能传输系统中，非相邻线圈的交叉耦合有可能对系统的工 作状态产生扰动，这通常导致系统传输功率和效率的降低。本文针对单中继线圈的无线电能传输系统， 从其等效电路归一化模型入手，详细分析发射线圈和接收线圈之间的交叉耦合对各回路电流和系统传 输功率、效率的影响。给出了交叉耦合效应是否可忽略的判定条件，并提出了一种简便的在各回路中 通过附加串联电抗以补偿三线圈（发射－中继－接收）无线电能传输系统交叉耦合效应的方法，通过 数值仿真计算和实验证明了该方法的可行性。 关键词:无线电能传输；磁耦合谐振；中继谐振器（中继器）；交叉耦合 0 引言 继谐振器的谐振频率通常与发射回路、接收回路一 致，它们会以中继接力的方式将电能逐级耦合传递至 无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT ） 接收端[18-20] 。在设计良好的无线功率接力传输系统 技术的概念可以追溯到 Nicola Tesla ，他在 1893 年哥 伦比亚博览会上展示了一款采用无线输电的磷光照 中，高 Q 值的中继线圈谐振器能显著提高整个系统 明灯[1] ，引发轰动。到 2007 年，A.Kurs ，A.Karalis 的无线能量传输距离，而自身只耗费系统全部传输功 率中很小的一部分. 等人提出了一种利用磁场谐振耦合以传递电能的无 线能量传输技术[2] ，使无线充电再次成为人们广泛关 在无线功率接力传输系统中，最简单的是只有一 个中继线圈的情形，即发射- 中继-接收的三谐振线圈 注的焦点。与感应式无线输电技术和远场辐射式（激 光、微波传能）传输技术不同，该技术利用线圈之间 系统。文献[21]通过详细的理论分析和测试表明，在 维持较高的功率和效率（大于 90% ）的前提下，仅仅 的近场磁谐振耦合来传输电能，在中短程距离上可以 采用一个中继线圈就足以将无线电能传输系统的传 达到很高的效率。它具有电磁辐射小、对人体无危害、 可穿透非磁性障碍物以及传输效率高等优点[3] ，被广 输距离提高到无中继线圈时的 5 倍左右。在文献[12] 中，报道了一款无线供电的无尾液晶电视，利用一个 泛应用于从毫瓦级 （如RFID 标签、无线传感器网络、 人体植入式医疗器械等[4-9] ）、瓦级到百瓦级（如无尾 中继线圈显著提高了 WPT 系统设计的灵活性。 电视、笔记本电脑、手机、电动牙刷等 [10-12] ）、乃至 中继线圈的引入也带来了一个新的问题，非相邻 千瓦级（如电动汽车[13-15] ）的各种应用领域中。 线圈之间的电感耦合(交叉耦合)会导致系统的发射 功率多径传输，并对系统的工作状态如各线圈的电流