無(wú)線電力傳輸 (WPT) 系統(tǒng)正變得越來(lái)越流行，在消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備和電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在 WPT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及的不同方面中，最相關(guān)的方面之一是線圈耦合配置或架構(gòu)。對(duì)于高頻諧振 WPT 系統(tǒng)，通常使用兩線圈和四線圈配置（無(wú)鐵氧體）。然而，在中頻 WPT 系統(tǒng)的情況下，鐵氧體用于提高近場(chǎng)無(wú)線充電應(yīng)用中的無(wú)線電力傳輸效率，從而增加了解決方案的重量和成本。最后，短程緊密耦合 WPT 系統(tǒng)通常不含鐵氧體，從而以相當(dāng)?shù)偷男蕿榇鷥r(jià)實(shí)現(xiàn)降低成本和重量。線圈設(shè)計(jì)在 WPT 系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗绊懚鄠€(gè)方面，包括系統(tǒng)行為、效率、錯(cuò)位容限和工作頻率帶寬。?

本文分析和評(píng)估了短距離和緊密耦合 WPT 系統(tǒng)的不同 WPT 線圈配置，重點(diǎn)關(guān)注無(wú)線電力傳輸效率和輕量化設(shè)計(jì)，以減少 WPT 系統(tǒng)的整體質(zhì)量。

線圈配置

圖 1 顯示了兩種不同的雙線圈配置的 3D 視圖。傳統(tǒng)的 WPT 線圈配置由兩個(gè)相同的扁平螺旋線圈組成，它們很好地對(duì)齊并以大約零距離分開(kāi)，如圖 1a 所示。所呈現(xiàn)的交錯(cuò)螺旋 WPT (IH-WPT) 配置，如圖 1b 所示，由一對(duì)帶有同軸螺旋線圈的線圈組成，一個(gè)線圈插入另一個(gè)線圈，其直徑稍大。由于兩個(gè)線圈之間的氣隙很小，因此即使在振動(dòng)和沖擊下也可以輕松對(duì)齊并保持對(duì)齊。最后，在另一個(gè)螺旋線圈內(nèi)插入一個(gè)扁平螺旋線圈獲得的配置如圖 1c 所示。?

圖 1：不同類型的 WPT 雙線圈配置

為了提供更好的比較和評(píng)估，所有這些配置都在低于 1 MHz（30 kHz 至 1 MHz）的頻率和短距離值下進(jìn)行了評(píng)估，使用的線圈具有幾乎相等的自感和直徑值。為了獲得 S 參數(shù)，使用了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 的實(shí)驗(yàn)裝置（圖 2）。?

圖 2：基于 VNA 的實(shí)驗(yàn)裝置?

兩線圈 WPS 系統(tǒng)的建模

由于雙線圈 WPT 配置通常被設(shè)計(jì)和分析為單輸入單輸出系統(tǒng)，因此它們的模型可以簡(jiǎn)化為雙端口網(wǎng)絡(luò)模型。集總電路模型如圖 3a 所示，其中 V S和 Z S分別是電壓源和阻抗，而 C 1和 C 2是與無(wú)線線圈 L 1和 L 2串聯(lián)放置的可選調(diào)諧電容器是兩個(gè)線圈的自感，M 是兩個(gè)線圈之間的互感。ESR 是等效串聯(lián)電阻，由線圈 ESR 和調(diào)諧電容器的電阻之和給出。雙端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖 3b 所示，其中 WPT 系統(tǒng)由 S 參數(shù)矩陣表示。?

圖 3：感應(yīng)式 WPT 系統(tǒng)模型?

通過(guò)適當(dāng)?shù)男?zhǔn)和系統(tǒng)設(shè)置，源阻抗、負(fù)載阻抗和標(biāo)稱特性阻抗之間的關(guān)系分別如下：?

Z s = Z l = Z 0 = 50 Ω?

端口 1 和 2 的入射波由下式給出：?

同樣，端口 2 的反射波由下式給出：?

而參數(shù)S 21表示為：?

現(xiàn)在，通過(guò)將等式 1 和 3 代入等式 4，S 21參數(shù)可由下式獲得：?

因?yàn)樵醋杩?(Z s ) 和標(biāo)稱特性阻抗 (Z 0 ) 相同，所以可以使用由下式給出的最大功率傳輸概念獲得?源的最大可用功率 (P ava )：

而負(fù)載功率由下式給出：

最后，WPT系統(tǒng)的效率可以得到如下：?

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與比較

為了評(píng)估 WPT 系統(tǒng)的效率，可以使用散射參數(shù) S 21并通過(guò) VNA 進(jìn)行測(cè)量。在圖 1 所示的所有三種相關(guān) WPT 線圈配置中，可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)備測(cè)量其值。不同線圈配置的功率傳輸效率隨頻率變化的曲線如圖 4 所示。使用 IH-WPT 配置獲得了結(jié)果，該配置實(shí)現(xiàn)了 70% 以上的峰值效率值，其次是平面到平面和螺旋配置中的平面。?

圖 4：不同線圈配置的效率與頻率的函數(shù)關(guān)系?

圖 5 顯示了傳統(tǒng)扁平對(duì)配置的功率傳輸效率如何受未對(duì)準(zhǔn)條件的影響，限制在 0 到 3 cm 的范圍內(nèi)。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)未對(duì)準(zhǔn)為空時(shí)獲得峰值效率值，而效率隨著未對(duì)準(zhǔn)量的增加而降低。這三種配置的最高效率值是在 300 kHz 至 600 kHz 的頻率范圍內(nèi)測(cè)得的。?

圖 5：錯(cuò)位對(duì)功率傳輸效率的影響?

如圖 4 和圖 5 所示，傳統(tǒng)的扁平螺旋線圈對(duì)配置在 490 kHz 的頻率下實(shí)現(xiàn)了約 68% 的峰值效率值（沒(méi)有鐵氧體并且當(dāng)線圈對(duì)對(duì)齊良好時(shí)）。然而，隨著發(fā)射線圈和接收線圈之間的未對(duì)準(zhǔn)增加，效率值迅速下降。IH-WPT 配置在 530 kHz 頻率下的峰值效率值約為 72%。?

傳統(tǒng)的硅基開(kāi)關(guān)功率器件（如功率 MOSFET、IGBT 和功率二極管）以及常見(jiàn)的逆變器和整流器電路配置（如半橋和 H 橋逆變器和整流器）可以在此頻率范圍內(nèi)有效運(yùn)行，提供高功率傳輸效率值。?

由于其特殊和獨(dú)特的幾何形狀，IH-WPT 配置提供了輕松實(shí)現(xiàn)和保持晶體管線圈和接收器線圈之間對(duì)齊的好處。圖 1c 所示的配置，即放置在螺旋線圈內(nèi)的扁平螺旋線圈，與其他兩種配置相比，效率要低得多。?

總之，我們可以說(shuō)，所提出的 IH-WPT 配置由一個(gè)螺旋線圈和另一個(gè)更大的螺旋線圈組成，與傳統(tǒng)的扁平螺旋線圈對(duì)配置相比，具有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它提供了更高的無(wú)線電力傳輸效率值，而第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以輕松實(shí)現(xiàn)并保持晶體管線圈和接收器線圈之間的對(duì)齊。?

　　審核編輯：湯梓紅