基于磁耦合谐振的无线能量传输技术探讨
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基于磁耦合谐振的无线能量传输技术探讨

2021-10-25 04:08:34 投稿作者: 点击:

在当前的社会当中,随着科技的不断发展,输电领域中也开始应用了越来越多的先进技术,其中,无线电能传输技术,是一种十分有效的技术。相比于传统的有线电传输技术,能量传输技术的安全性、灵活性都的特性都更为良好。在该领域当中,基于磁耦合谐振的无线能量传输技术是其中一项具有代表性的技术,因此,本文对该技术进行研究和探讨。

【关键词】磁耦合谐振 无线能量 传输技术

无线能量传输技术,也可叫做无接触能量传输,通过对无线电技术的应用,实现对电力能源的传输。无线能量传输技术从而技术的层面上来看,和无线电通信技术十分相似,在接收技术、发射技术等方面,都具有较大的相似性,二者唯一的区别就在于传输能量和传输信息。而在无线能量传输技术中,最大的问题就在于弥散、吸收衰减等问题。

1 基于磁耦合谐振的无线能量传输原理

1.1 耦合模

对于多个电磁波模式之间的耦合情况,可以通过耦合模的理论进行研究,在同类的波动模式或不同的波动模式当中,都能够存在耦合,在相同波导电磁波和不同波导电磁波当中,也能够存在耦合。耦合模具有较为简单的概念,可分解复杂的耦合系统,使之成为孤立的单元,然后对其运动方程组进行求解,利用方程组的解,对孤立单元的简正模进行表示。假定孤立单元之间,形成原有复杂系统的方式为弱耦合,则该状态下孤立单元不会受到太大的运动状态扰动。因此,可以通过利用这些孤立单元的微小扰动,来对复杂的耦合系统运动进行描述。

1.2 电磁辐射

根据电磁理论,如果电流作为场源,在其改变的时候,周围的磁场、电场等,也会随之发生改变,随着时间发生改变的电场和磁场,会转化为空间上的磁场和电场,电场和磁场之间不断的转化、环绕,从而形成一个整体,也就是电磁场。在电磁场当中,电磁辐射指的是加速度不为零的带点运动粒子、震荡电流、震荡电荷等,将电磁能量传送到外部空间,在空间中根据特定的速度进行传输。电荷能够产生磁场和电场,但只是在加速运动的前提下才能产生。随着时间的变化,导线中电流发生振荡,将小段载流直导线作为电偶极子,载流圆环作为磁偶极子。

2 基于磁耦合谐振的无线能量传输技术

2.1 PFC电路

EMI对单相交流电进行滤波,在单项桥时不可控整流电路中,需要经过整流滤波的处理。滤波电容具有充放电特性、整流二极管则具有非线性,因此,在交流电压舒适绝对值比滤波电容两端电压高时,整流二极管才会导通。而在其它时候,反向截止则是主要的状态。因此,输入电流会呈现尖峰脉冲,会严重的污染电网谐波。所以,为了抑制谐波,需要对功率因数校正技术进行应用。通常来说,可采用APFC电路结构应用在DC/DC变换器拓扑中。其中,Boost生涯电路使PFC电路中应用最为广泛的一个种类。

2.2 数字控制器

电路中的拓扑结构种类较多,控制电路也较为复杂,因此,如果对模拟芯片进行利用,分立元件需求较多,因而会花费较高成本。同时对于电路控制的稳定性、精确性等,都会受到温漂问题、模拟器件老化问题等,都会造成不同的影响。所以,在控制系统的设计中,可以对CPLD、DSP等进行应用。DSP指的是数字信号处理器,作为一种数字信号计算处理速度很快的微控制器,能够对各种复杂的控制算法加以实现。CPLD指的是可编程逻辑器件,针对用户的需求,数字集成电路能够对逻辑功能进行自行构造。

2.3 电路拓扑结构

在磁耦合谐振式无线能量传输电路中,主要包括无线能量传输线圈、全桥高频逆变电路、全桥DC/DC变换器、PFC功率因数校正电路、EMI滤波电路等部分。在电网当中将开关电源接入,对于电源受到电网波动的影响,应当进行规避,对电网受到电源高频谐波的干扰也要进行避免。所以,在第一级电网接入电源的过程中,应当对EMI滤波电路进行设计。在EMI中主要包括传导干扰、辐射干扰等,而在开关电源中通常只需对传导干扰进行考虑。而传导干扰中又包括差模干扰、共模干扰等部分,在设计中,还需要限制滤波器。

2.4 高频逆变电路

在DC/AC全桥逆变电路中,同一桥臂中,相互导通两个开关管,同时导通两个开关管,对四个开关管通断进行控制,在输出测,产生的交流方波电压幅值与输入电压幅值相同。在输出侧,如果对LC并联谐振电路进行建立,产生的正弦电压有效值能够和输入电压相同。在基于磁耦合谐振的无线能量传输技术中,发射线圈是依靠逆变电路输出进行供电。所以,应当具有兆赫级别的工作频率。同时,为了对便于对电路的试验研究和优化改进,应当提供可随意调节的输出电压和工作频率。

2.5 DC/DC变换器

在DC/DC全桥变换器当中,两个开关管对同一桥臂进行互补导通,两个开关管同时导通,通过对四个开关管通断的控制,在变压器原边,会有和输入电压幅值相同的交流方波电压产生。在变压器变比已知的情况下,变压器进行隔离转换,在变压器副边,产生的交流方波电压为输入电压与便变压器变比之间的比值。通过整流,对直流方波电压进行输出,然后在LC滤波下,使直流电压达到平稳。不过,由于此种控制方法难以有效的应对升高的开关频率,因而采用了软开关技术,在通断开关的过程中,能够达到零电流或零电压,因而避免了损耗。

3 结论

在当前的社会当中,电力能源是最为主要的能源之一,在很多领域当中,都需要对电力能源进行应用。传统的电力能源传输都是通过输电线路实现的,而在海岛、沙漠、高原地区供电;井下、油田供电线路;植入式医疗器械供电;智能家居电能供应;太空能源输送等方面,都对无线传输方式有着较高的要求。因此,采用基于磁耦合谐振的无限能量传输技术,能够更好的满足这些应用需求。

参考文献

[1]赵军,徐桂芝,张超,李烜,陈韵.一种适用于磁耦合谐振无线能量传输系统的新型小尺寸谐振器的仿真与实验[J].电工技术学报,2014,01:208-214.

[2]赵军,徐桂芝,张超,李烜,李少充.磁耦合谐振无线能量传输系统头部植入线圈对人体头部电磁辐射影响的研究[J].中国生物医学工程学报,2012,05:649-654.

[3]王娜,唐堂,张兆东,刘景夏,胡冰新.磁耦合谐振式无线能量传输效率分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2015,05:413-417.

[4]罗斌,生茂棠,吴仕闯,张鸣.磁谐振耦合式单中继线圈无线功率接力传输系统的建模与分析[J].中国电机工程学报,2013,21:170-177+207.

作者单位

南京邮电大学电子科学与工程学院 江苏省南京市 210046

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