- 頭條基于能量流理論的諧振式無線電能傳輸原理分析與驗證2021-03-25 作者：諸嘉慧 劉之方 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語中國電力科學研究院有限公司、國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院、遼寧東科電力有限公司的研究人員諸嘉慧、劉之方、高強、劉齊、潘加玉，在2019年第20期《電工技術學報》上撰文指出，對于磁耦合諧振式無線電能傳輸過程，一般采用電路或耦合模理論來分析。然而這兩種方法都存在缺陷，無法深入地描述系統及元器件的時域能量狀態，基于此，該文結合電路與耦合模理論提出一種新型能量流模型，進一步完善無線電能傳輸理論。 首先從Series-Series（SS）型補償結構出發建立無線電能傳輸能量流模型，然后應用Matlab和Advanced Design System（ADS）軟件對該理論進行仿真，將其與電路模型和耦合模模型進行對比，最后搭建實驗平臺對能量流模型進行了驗證，實驗結果與仿真結果獲得了較好的一致性，證明了能量流模型的正確性。 同時表明，相較于電路模型與耦合模模型，能量流模型能夠更深層地描述諧振式無線電能傳輸系統的工作機理，有助于為無線電能傳輸系統的優化設計提供更加完善的理論基礎。
自特斯拉首次嘗試為用電設備去掉電線已百年有余，但相關研究均未使無線電能傳輸技術實用化。直至2007年，美國Marin Soljacic教授領導的MIT團隊從理論上獲得突破，利用磁耦合諧振的方式實現了2m距離下傳輸效率40%的效果，無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術的實用化才真正開始。
目前無線電能傳輸技術主要可分為三類：感應式、遠場輻射式和磁耦合諧振式。磁耦合諧振式相對于另外兩種方式有其特有優勢：相較于感應耦合式，其傳輸距離較遠，一般可達數米；對于遠場輻射式，諧振式傳輸效率較高，理論證明磁耦合諧振式在傳輸距離為1.98m時，傳輸效率仍可達97%，且傳輸路徑允許存在障礙物，應用條件更為寬松。基于上述優勢，諧振式無線電能傳輸技術在無線傳感器、移動電子設備、充電汽車等領域得到應用。
目前針對諧振式無線電能傳輸系統工作機理的理論主要分為以下三種：耦合模理論、散射網絡理論和電路理論。三種理論雖然均可對WPT系統的耦合特性進行了較好的描述，然而也各有缺點。
耦合模理論重點關注系統能量的耦合，無法描述帶有補償結構的復雜耦合系統，因此不利于系統設計；散射網絡理論將整個耦合系統視作“黑盒子”，內部元件的狀態不予考慮，因此，加大了系統設計難度；電路理論可以較為精確地描述復雜耦合結構和各個元件的狀態。
然而，由于電路理論通常考量的是系統的功率分布，因此在一定程度上造成了系統工作不直觀等不足。除此之外，還有基于耦合模模型的能量分析方法，然而，該方法僅討論了四種基本補償結構，并不具有普遍性，因而無法指導其他補償結構的系統設計。
本文在電路理論和耦合模理論的基礎上提出了一種針對無線電能傳輸系統的能量流模型，該模型不僅可以精確地描述不同元件的時域能量，還可以對整個系統進行能量層面的描述，相較于傳統理論更加直觀清晰。為了驗證模型正確性，本文還進行了建模仿真與實驗驗證。
圖8 SS型補償結構實驗系統
結論
本文結合電路理論與耦合模理論提出了一種針對無線電能傳輸系統的新型能量流模型，并據此推導出了各元件的時域能量和電壓表達式以及各回路的電流表達式。能量流模型建立在電路和耦合模兩種理論的基礎上，微觀上可以描述各個元件的能量時域狀態，宏觀上則以諧振線圈為基本單元可以描述系統耦合狀態。
實驗系統中電容、電感的電壓波形基本與仿真結果吻合，證明了能量流模型的正確性。因此，該能量流模型能夠彌補現有理論的不足，更加全面地描述系統工作過程，對于WPT系統參數設計優化更具有指導意義。
