磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetic Resonance Coupling Wireless Power Transmission,MRC-WPT）技術利用具有相同諧振頻率的諧振線圈，實現電能的傳輸。該技術具有電磁輻射小、傳輸功率大、效率高等優點，已被廣泛應用于消費類電子產品，如無尾電視、計算機、手機、電動牙刷等家用設備的充電或供電。

提高電能傳輸的靈活性是MRC-WPT技術的研究熱點之一。手機和平板電腦等掌上移動設備需立式工作且角度不固定，傳統靜止水平放置的平臺式充電方式無法滿足邊工作邊充電的需求。新型發射線圈結構可以解決無線電能傳輸系統工作的方向問題。

• 文獻[3]通過研究任意放置的空心線圈之間的耦合系數來分析方向改變對耦合系數的影響，得到系統在欠耦合、臨界耦合和過耦合三種狀態下的方向特性。
• 文獻[5]提出了有效傳輸距離的概念，并通過對最大傳輸距離影響因素的分析得到了線圈的優化設計方法。
• 文獻[6-7]提出了相互垂直的雙發射線圈結構，通過控制兩發射線圈的電流大小和相位，來實現接收線圈多種位置下穩定的功率傳輸。
• 文獻[8]提出十字交叉發射線圈，實現掌上移動電子設備的三維無線充電。
• 文獻[9]提出了相互垂直的四線圈激勵的無線電能傳輸結構，該結構不僅可以延長傳輸距離，而且減弱了功率傳輸對方向的敏感度。

另一種改變功率傳輸路徑的方案是引入中繼線圈。

• 文獻[10]分析了中繼線圈在諧振頻率時的工作特性以及電流放大的理論機理，提出利用中繼線圈增強系統空間磁場的方法。
• 文獻[11]對雙中繼和三中繼線圈情況下系統的傳輸功率和效率進行分析，得到負載功率最大時對應的中繼線圈位置及系統效率。
• 文獻[12]提到中繼線圈可以改變功率傳輸路徑，并且當發射線圈和中繼線圈垂直放置時，可以點亮與中繼線圈同軸放置的接收線圈連接的燈泡。
• 文獻[13]指出雖然發射線圈與中繼線圈同軸平行放置時傳輸效率高于垂直放置的形式，但是垂直放置結構可以改變功率傳輸方向。
• 文獻[14]采用發射線圈與中繼線圈垂直排列方式，成功點亮了150W的LED電視。

中繼線圈的引入也帶來了一些新的問題，非相鄰線圈之間的交叉耦合會導致系統功率多路徑傳輸，并對系統的工作狀態產生影響，如各線圈的電流幅度和相位以及引起傳輸功率極值點的擾動、降低系統在工作頻率上的傳輸功率和效率。尤其是發射線圈與中繼線圈相互垂直的結構中，交叉耦合系數甚至高于相鄰線圈間的耦合系數。

文獻[15]研究了插入同軸中繼線圈后，交叉耦合對系統傳輸功率和效率的影響。文獻[16]分析了中繼線圈對系統頻率分裂的影響，并給出了中繼線圈位置的優化方法。

雖然目前對中繼線圈的研究較多，但主要集中于傳統平行中繼結構系統的特性分析，對垂直中繼結構的綜合分析和基于垂直中繼結構的系統設計研究較少。本文提出一種基于垂直中繼線圈結構的無線充電系統，并設計了L形無線充電基座。

為了優化基座設計，首先，從等效電路模型出發，分析了系統的功率傳輸特性；其次，在三種典型的接收線圈位置情況下，研究了系統傳輸功率和效率與各線圈之間耦合的關系；最后，對中繼線圈與發射線圈的相對位置進行仿真優化以提高系統傳輸效率。

圖1 垂直中繼結構無線充電系統示意圖

圖4 實驗平臺

總結

本文設計了一種基于垂直中繼結構的L形無線充電裝置，并通過仿真及實驗對接收線圈三種典型位置時的系統傳輸特性進行了分析，得到如下結論：

1）在不發生頻率分裂的情況下，系統的傳輸效率的變化規律與中繼線圈和接收線圈之間的互阻抗的變化規律相同。

2）在不發生頻率分裂的情況下，由中繼線圈傳輸的功率P23越大，系統效率越高。

3）垂直中繼結構具有較強的抗角度偏轉的能力，在僅有角度偏轉時，系統的傳輸功率基本恒定。

通過理論分析結合仿真對中繼線圈相對發射線圈的位置進行優化，提高了系統傳輸效率，并通過實驗證明了優化的有效性。