1、26 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 Research and Design 研究与设计0 引言 随着新型开关器件、集成技术及控制技术的不断进步，无线充电技术的效能将大幅提高。由于其易于维护，方便快捷，安全可靠的优点，感应式无线充电技术正逐步替代有线电力传输技术。与有线传输相比，无线电能传输系统需要针对不同的场景和不同的目标需求展开设计。例如，需要多个接收线圈来满足多负载同时充电的用户需求，多个发射线圈可以用来扩大充电面积和传输能力。而多个接收或者多个发射都属于多线圈无线充电系统。当前，学术界关于多线圈无线充电技术的研究主要集中在单发射多接收
2、系统或者多发射单接收系统，其研究目标之一就是系统效率最大化。1 研究背景无线电能传输WPT系统的基本原理。WPT系统通常由三个基本部分组成：负载、发射和接收线圈以及中间的变压器。当电源发出电流时，电流会在中间的变压器中产生磁场，同时这个磁场会在负载上产生感应电动势，然后这个电动势将会推动负载上的线圈转动，从而为负载提供电能。因为WPT系统主要是通过磁场来实现电能传输的，所以中间的变压器就相当于一个磁场转换器。在WPT系统中，电源和传输线圈之间的距离越近，那么传输效率就越高。当线圈距离电源越近时，系统转换效率就越高。这是因为，在一个足够大的磁场中，如果两个线圈相距很近，那么它们之间的磁通将会产生
3、很大的相互影响，从而使系统能量转换效率降低。这是因为当线圈之间的距离较近时，在一定范围内，由于空间距离存在一个最佳值，因此线圈之间磁场的变化也是非常小的。这就使得变压器输出信号不容易发生改变。由以上分析可知：WPT系统在传输过程中应尽量使各个部分具有相同的传输效率。但由于传输线圈中会产生感应电动势和磁场强度，因此各个部分所能获得的磁场强度也不相同。若要使系统中各部分都具有相同的传输效率，因此必须使各个部分之间保持一定程度上的独立。但是这又会使得各部分之间出现相互干扰作用导致系统转换效率降低。因此，在WPT系统设计中需要首先确定各个部分所能获得的磁场强度以及耦合系数。根据以上分析可知：WPT系统
4、效率受各部分磁场强度和耦合系数影响较大，而这些因素对系统效率有着非常重要影响。作者简介：王琳，中联西北工程设计研究院有限公司，工程师；研究方向：控制技术。收稿日期：2023-04-13；修回日期：2023-09-23。摘要：阐述无线电能传输WPT系统的原理，提出一种多线圈无线电能传输系统模型，并分析多线圈系统中影响传输效率的因素。在此基础上，给出一种基于多线圈的无线电能传输系统设计方法，并进行了仿真验证。关键词：无线电能传输系统，多线圈系统，线圈效率。中图分类号：TM724 文章编号：1674-2583(2023)10-0026-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.
5、2023.10.009文献引用格式：王琳，宋军龙.多线圈无线电能传输系统的效率最大化分析J.集成电路应用,2023,40(10):26-27.多线圈无线电能传输系统的效率最大化分析王琳1，宋军龙2（1.中联西北工程设计研究院有限公司，陕西 710077；2.西安航空四站装备修理厂，陕西 710077）Abstract This paper expounds the principle of wireless power transmission WPT system,proposes a multi coil wireless power transmission system model,a
6、nd analyzes the factors that affect transmission efficiency in multi coil systems.On this basis,a design method for wireless energy transmission system based on multiple coils is proposed,and simulation verification is conducted.Index Terms radio energy transmission system,multi coil system,coil eff
7、iciency.Analysis of Maximizing Efficiency of Multi Coil Radio Energy Transmission SystemsWANG Lin1,SONG Junlong2(1.China United Northwest Institute for Engineering Design&Research Co.,Ltd.,Shaanxi 710077,China.2.Xian Airlines Four Station Equipment Repair Factory,Shaanxi 710077,China.)集成电路应用 第 40 卷
8、第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 27Research and Design 研究与设计2 系统模型及传输效率分析传输系统模型分为三部分：发射端、接收端和控制端。发射端由两个线圈组成，它们的距离为50mm，发射电流为1A；接收端由两个线圈组成，它们之间的距离为100mm，接收电流为2A；控制端由两个线圈组成，它们之间的距离为20mm，控制电流为1A。为了便于分析与理解，假设发射线圈和接收线圈之间没有任何金属物体。发射线圈与接收线圈之间的耦合系数为1=0.5。另外，为了消除反射信号的影响，还对发射和接收线圈之间的距离进行了适当调整。基于以上假设可以建立WPT系统的等效电路。
9、根据传输系统等效电路模型及其参数确定方法可以得到如下两个结论：（1）当WPT系统中的发射、接收线圈相距较近时，会产生较大的感应电动势，此时可以利用互感原理分析其对系统传输效率的影响；（2）当WPT系统中的发射、接收线圈相距较远时，系统中传输效率与距离之间存在着线性关系。同时根据互感原理也可以得到如下结论：WPT系统中的传输效率与发射电流、接收电流以及传输距离之间存在着非线性关系。随着距离的增大，传输效率会逐渐下降；当传输距离增大到一定程度后（此处取80mm），WPT系统的传输效率将趋于饱和。最后需要说明的是：由于WPT系统中的发射、接收线圈之间没有任何金属物体，因此可以认为其互感系数不存在耦合
10、现象。这就意味着WPT系统中两个发射、接收线圈之间的距离对整个系统的传输效率影响不大。3 多线圈系统的设计WPT系统中最大传输效率位于各线圈中心距之处，在传输功率一定时，各线圈中心距越小，WPT系统效率越高。在本系统中，WPT系统的中心距为15cm。由于线圈中心距很小，则线圈的电磁力将很大，产生的感应电动势也很大。因此，在进行线圈设计时应该考虑到这些因素，尽量使WPT系统中最大传输效率位于各线圈中心距之处。通过改变C(0）、C(2)这三个参数就可以实现WPT系统效率的最大化。在进行设计时需根据实际情况选择合适的参数以满足系统效率最大化的要求。经过计算可得：当C=0.35,即原边和副边之间距离为
11、15cm时，WPT系统传输效率最大；当C=1.5、C=2.3cm时，WPT系统传输效率最大；当C=2.3cm时，WPT系统传输效率最大。通过以上分析可知，当系统中各线圈中心距之处距离越小时，WPT系统传输效率越高；当线圈中心距之处距离为15cm时，WPT系统传输效率最高；当线圈中心距之处距离为0.5、0.6cm时，WPT系统传输效率最高。因此我们可以通过改变上述三个参数来实现WPT系统最大传输效率最大化。4 仿真结果根据前文分析，由于多线圈系统中各线圈间的耦合作用，其中，为补偿电容。为确定系统的效率，利用MATLAB进行了仿真，多线圈系统在传输功率较低时，会出现输出功率不稳定的现象。为了减小这
12、种现象的影响，可以在负载侧加入补偿电容，与负载侧输出功率呈正相关关系。针对这一现象，本文给出了一种解决方法：在负载侧加入频率补偿电路。在接收线圈未与负载耦合的情况下，频率补偿电路是无法实现负载侧功率稳定输出的。为了使多线圈系统在满足系统输出功率较小且不会出现输出功率不稳定的情况下实现传输效率最大，可以采用频率补偿电路的方法对系统进行调节。5 结语在此基础上，研究多绕组的最优状态与稳态特征，并归纳出其在最优状态下的特征与共性，如输入与输出状态、功率与损耗等。在此基础上，对所建立的模型进行了仿真，并对所建立的模型进行了验证。在此基础上，深入探讨不同能量分布条件下，多绕组无线充电系统的稳定性能与控制
13、策略。参考文献1 刘扬靖,曹彪.锥形线圈无线电能传输特性优化J.电子测量技术,2022,45(19):12-18.2 贺蓉,汪鑫林,傅旻帆.多线圈无线电能传输系统效率最大化研究J.电源学报,2022,20(06):102-110.3 闫争超,胡谦宇,赵晨旭等.水下航行器感应式无线电能传输技术研究综述J/OL.中国电机工程学报:1-162023-10-22.http:/ 向峰,张汶卓,马建波等.截顶型线圈无线电能传输系统优化研究J.实验技术与管理,2022,39(09):42-47.5 JUN T,Xingchen Y,Facheng L,et al.Influence of transmiss
14、ion distance on magnetically coupled resonant radio energy transmission systemJ.IOP Conference Series:Materials Science and Engineering,2019,533(1).6 Huang-yu L,Xiao-dong X,Bao-xue W.Optimal energy efficiency capacity under joint design of sensing and transmission duration for cognitive radio systemJ.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications,2013,20(06):1-8+41.7 贺蓉,汪鑫林,傅旻帆.多线圈无线电能传输系统效率最大化研究J.电源学报,2022,20(06):102-110.
