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磁耦合谐振无线能量传输的应用
电动汽车技术
关键词：无线能量，电动汽车，磁耦合谐振，应用；
摘要：电动汽车的无线充电技术不仅极大提高了使用电动汽车的方便，而且使电动汽车无线连接到电网成为可能，也降低了电动汽车充电对电网所造成的影响。目前，基于磁耦合谐振的无线电能传输系统可以实现米级和千瓦级能量传输。与其他无线能量传输模式相比，它有高的传输效率而且对环境造成的影响更小，然后迅速成为能量传输领域研究的热点。在这篇文章中，对磁耦合谐振无线能量传输系统的特点进行了分析以及对电动汽车无线充电应用可行性进行了研究，然后一个基于这项技术的千瓦级无线能量传输系统是为了完成相关的验证，分析和实验结果表明在电动汽车这方面，磁耦合谐振无限能量传输技术与其他技术相比拥有明显的优势和良好的前景。
1.介绍
由于特斯拉，无线能量传输技术已经成为一个重要的研究方向。在近几年里，科学家们一直试图利用微波、激光等实现高功率和远距离无线传输，在任何情况下，使用激光和微波传输能量可以达到高传输功率，然而，人身安全问题的存在，设备和其他生产过程的严格要求，使得它难以应用于日常生活中。在20世纪70年代早期，感应式无线能量传输（也叫非接触式能量传输）技术正逐渐兴起，这项技术使用分离变压器的原理，初级侧注入交流电，通过空气和磁芯的磁环路，二次侧构成能量的的传输。由于大的空气磁势压迫，系统功率传输距离比较接近，而且一般在几毫米到几厘米之间。目前，这项技术相对成熟，某些产品的无线充电已经有了实际应用，如电动牙刷、手机等。
相比之下，2007年麻省理工学院提出的磁耦合谐振式无线能量传输更需要值得关注，现在，这项技术可以实现米级范围内千瓦级能量的传输，它具有高效率和对有机体低影响的（特点）。与此同时，政府和汽车公司正寻求推出电动汽车，显然，在未来电动汽车发展的主要限制电力供应能力和电网能力，而且不幸的是，我们还没有找到高密度储能电池提供电能。实际上，当电动汽车运行到一定距离时，会对提高电力系统稳定性和抑制电网的波动有一定积极的影响，所以使用磁耦合谐振式无线电能传输技术达到千瓦级能量传输给电动汽车充电，这有利于降低对电池的要求和增加电动汽车与电网相互作用。在这篇文章中，我们描述了磁耦合谐振式无线电能传输技术在电动汽车无线充电的中特点和发展趋势，然后我们设计了相关实验，本文的研究成果对基于磁耦合谐振式无线能量传输技术的电动汽车无线充电设计具有很好的指导意义。
2.电动汽车无线充电技术
磁耦合谐振式无线传输系统由电源系统、传输系统负载系统组成。电源系统产生高频交流电，然后工作频率工作在几十千赫到兆赫。传输系统由两个LC线圈组成，它们一般具有相同的匝数和相同的谐振频率。负载系统，这是使用接收高频电压时，有一些负载匹配网络和功率校正单元确保系统访问负载是纯粹的电阻。据研究人员表示，该系统基于磁耦合谐振工作在近场区，所以电场可以很好地抑制电容器，只有磁场激被励。如果两个线圈的机械和电气参数对称设计，磁场与两线圈的频率相同，能量可以有效地交换于两个线圈之间。自2007年以来，磁耦合谐振无线电能传输技术发展很快，不难推断出随着效率与传输功率的增加，使得它在电动汽车无线充电中的应用成为可能。
这项技术对于电动汽车无线充电，可行性如下：（1）传输距离，它可以实现几米的能量传输，它可以满足要求为10cm到40cm的不同距离下为电动汽车无线充电。（2）传输功率，已经有功率为3.3Kw、距离为20cm的无线充电产品，并且实验室可以达到更高的功率和更远的传输距离。（3）传输效率，系统的传输效率很高，通常情况下可以高达90%，但是由于电源和整流设备，系统的整体效率很低，可以达到50% ，或者更多。无论如何，随着这项技术的发展，系统的整体效率将进一步增强。
3.无线充电模型
为了方便研究，以及设计一个基于磁耦合谐振的无线传输系统，电动汽车的充电系统图如图1所示。在这个系统中，我们可以达到距离为0.4米，1k W功率传输。图2是实际系统的等效电路模型。
如前所述，负载系统可以等效为RL，假设电源为US，电源内阻为RS，输出频率为omega;，R1，R2，C1，C2，L1，L2，分别是等效电阻，电容，两个线圈的电感。通过耦合模式理论(CMT)，我们建立了系统能量方程
这里，a是与线圈和电容的电流和电压相关的模型幅度。 所以我们可以很容易地获得线圈的能量E = | a |2，omega;1，omega;2分别是LC线圈的共振频率。
其中，к是两个线圈之间的耦合系数， к12=к21=к=omega;M / [2(L1L2) 1/2], Г =R / L，如果L1=L2，C1=C2，那么omega;1=omega;2=（LC）0.5，R1=R2=R。为了研究两个线圈之间的能量转换，我们暂时忽略了损耗，方程（2）可以简化和解决，
其中，a1（0）和a2（0）分别是初始模型振幅，通常为a2（0）= 0。通过式（3）和（4），不难发现两个线圈之间的能量为 按频率2k交换，理论交换效率可以达到100％。 如果考虑系统损耗，损耗主要包括欧姆损耗和空间散射损耗，其对应于欧姆电阻Ra和散射电阻Ro。
其中，mu;0为真空磁导率，sigma;为导电率，lambda;为电磁波的波长，r为线圈的半径，a为导体半径，N为线圈数，传输的功率和效率 系统可以通过等式（7）和（8）进行评估。
通过式（7）、（8）可以得到最大转移效率（9）。
4.实验和模拟
4.1. 距离和位置对传递力的影响
电动车无线充电装置通常安装在停车场和底盘上，因此，与不同的电动车辆，底盘高度会有所不同。这导致两个线圈安装在停车场和底盘上有不同的传送距离。 而对于相同的车辆，随着承载力的变化，高度也将发生变化，因此，由于停车位置，安装在底盘和地面中的线圈也可能在不同的方位。 因此，我们研究了垂直高度和中心水平位置变化对系统接收功率和传输效率的影响，结果如图3和图4所示。 图3显示，传输距离变化为10cm至40cm，可实现系统接收机功率的面积，系统传输效率随传输距离而变化，如图4所示。
系统的实际参数如表1所示。
图3系统传输功率和距离曲线
图4率随传送距离而变化
从图3可以看出，随着距离的变化，理论上接收的功率在最大和最小功率之间是非常不同的，实际上由于电力系统的输出在实际系统中是有限的，电动车底盘的高度变化范围是 也受到限制，实际接收功率变化有限。
图5 线圈安装图
图6 系统效率和功率
但是，如果要提高接收功率，底盘高度应该很短。 而系统效率仍然很高，如图4所示，通常高于80％，对于电动车充电线是可以接受的。
传输距离固定，图5给出了在同一中心线上的两个线圈h = 0时，两个线圈水平移动的电动车架和地面线圈安装图，图6给出了接收功率 当d = 40厘米，两个线圈水平移位时，通过负载和转移效率。 由图6可以看出，随着d的变化，系统传递功率将发生变化，当水平移动达到线圈半径距离时，最大和最小功率的比例约为50％，但是这样的差异可以被削弱 在电动车底盘上安装多个接收线圈。
4.2.媒介对传递力的影响。
系统传递功率可能会受到线圈之间的障碍或使用不同的材料的影响，而电动车停放无线充电，研究不同的介电材料对系统的影响，我们进行如图7所示的测试，结果如图8显示。
图7 测试系统
图8 不同媒介下的能量接收
试验条件为d = 40cm，板条尺寸40cmtimes;40cm。 在实际过程中，我们发现两个线圈之间的人体之间的传递功率没有受到影响，而通过分析，功率输送对人体的影响在可接受的范围内，同时从图8可以看出 用非铁磁材料，材料通常使用几乎不会影响传递功率。 当使用铁块时，负载接收功率显着降低，但供电系统的输出也降低。 在图7的条件下，除铁材外，输出功率为1200W，而铁板输出功率为700W，整体系统效率为81％左右。 与其他材料相比，系统传输效率也在80％-85％之间，这表明虽然线圈之间的障碍影响系统传输功率，但传输效率没有影响或较小。
5.结论
结论如下：（1）采用磁耦合谐振无线电力传输技术设计电动汽车充电系统，可在10cm〜40cm实现千瓦功率传输；（2）发送和接收线圈的位置在小水平移位时，系统传输功率没有影响或较小，这种效果可以通过安装多个接收线圈来解决，对传输方向的要求较低，这可以减少设计无线设备的充电控制成本；在下一步的研究工作中，我们计划设计多个接收线圈来解决系统传输功率波动的问题。
不难想象，随着磁耦合谐振无线电力传输技术和电动汽车的发展，这种技术在充电系统中将具有更多的优势，并且可以促进电动汽车无线充电技术，然后，电动 车辆和电网将实现真正的无线互动。
致谢
这项工作得到了教育部颁发的优秀博士生奖学金，优秀博士论文持续基金，江苏省高校毕业生研究创新计划（No.CXZZ11_0150）和中国国家自然科学基金（“ 国家重点技术研发计划（2011BAA07B02＆2011BAA07B05）。
基于磁谐振耦合的无线功率传输研究
关键词：耦合模式理论，谐振频率，输入阻抗；磁场分布。
摘要： 讨论了无线电力传输的形式，耦合模式理论可以用来描述谐振过程。 根据输入阻抗和输入电流的变化过程来描述共振频率的分界。 也证明环路电路具有共振磁场分布的重要作用。
介绍:
无线电力传输技术越来越受到越来越多的关注。特别是，电感耦合系统已经取得了显着的进步。电感耦合电力传输系统已经开发用于广泛的应用。 然而，大多数研究仅限于近距离。 直到麻省理工学院才有报道提出了一种基于强耦合磁共振的新方案，如图1所示。 从而为中端无线能量传输提供了潜在的突破。该方案采用60 W的功率传输，端到端系统效率为15％，RF-RF耦合效率为40％ 距离2米，是线圈直径的三倍以上。
与以前的非接触式无线电力传输技术相比，磁共振耦合具有一些特点。 这些特性是由于共振的物理性质。 磁共振耦合是无线能量传输中的一个新概念。 以前的分析是基于纯粹的物理理论，未能为电气工程师提供切实的发现。 实际设计报告很少。 直观地看到，随着发送和接收线圈之间的距离增加，效率降低。 然而，为什么电源和发送线圈之间的最佳距离不为零，并不容易理解。 我们通过耦合的磁共振开发了一种无线能量传输系统的简单等效电路模型。
图1无线电力传输系统示意图
形式的概括：
在本文中，我们提出使用由两个大的闭合线圈和两个螺旋线圈组成的实际的无线发射系统，如图1所示。 该WPT系统的优点在于它可以在比WPT更广泛的领域提供更稳定的传输效率。与用于辐射应用的发射和接收天线系统一样，传输效率被定义为在接收模块处接收的功率与发射模块处的功率输入的比率。
根据电路原理，整个能量传输系统可以等同于两端口网络，如图2所示。 由激励部分、谐振传输部分和负载部分组成，两端口网络的核心是谐振传输部分。 激励部分由正弦电压源和角频率驱动，S21表示传递功率，S11表示反射功率。
图2 二端口能量传输系统
另外，中等范围的功率传递发生在描述彼此强耦合的共振物体的参数空间的特定区域中。 使用耦合模式理论来描述无线能量传输系统。 当两个谐振器耦合时，它们的时间依赖性变化。 考虑两个弱耦合的无损谐振器。 用时间依赖表示振幅exp（jomega;t）在一个谐振器中a1，其他谐振器a2的振幅随时间变化依赖性exp（jomega;t）。 这些是电场振幅的正频率分量当耦合弱时，它必须是（1）和（2）的形式。
在这里，我们已经归一化了电场幅度a1和a2，即它们的正方形等于模式中的能量。 没有假设存在交叉项，模式是能量正交的。
图3 耦合模式的谐振频率
如果耦合是无损的，我们将在这里处理的唯一的情况是能量必须被保存：
因为初始条件可以任意选择，（3）只能在时间内服从
这是以无损耗方式耦合的两种模式的耦合系数的约束。 当（4）被引入到（1）和（2）中时，假定形式为exp（jomega;t）的时间依赖性，并求解决定性方程式，找到omega;的两个根：
方程（3）具有如图3所示的两个根，较大的一个称为omega;g，两根之间的另一个根称为omega;m有一个间隙，因为显示的是根部无限关闭到间隙线的间隙线，但不能关联 与间隙线。 在不同的系统中，间隙线可以上下移动。
图4 电磁谐振传输模型
模拟模型分析
通过使用全波解算器对系统进行分析。 本文采用基于力矩法（MOM）的商业软件FEKO作为全波解算器。 此外，本文研究了传输系统的输入阻抗，以便识别可用于调谐谐振频率的技术。 在图
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