摘要：针对无线电能传输系统中负载线圈空间错位而导致的效率下降问题，提出互感线圈解耦的无线充电系统功率、效率计算方法。该方法首先利用线圈的互感式解耦后建立了Bessel函数与Struve函数的无线充电系统功率与效率数学模型，之后利用数值积分的方法计算线圈空间位置与系统功率、效率的关系，通过实验验证了该互感线圈解耦的无线充电系统功率与效率计算方法。实验结果表明，该方法计算出的数据与实验数据误差小于5%。该方法可以计算出有效的充电范围，为解决因水平错位导致的充电系统功率与效率下降问题提供有利依据
关键词：无线电能传输；磁耦合谐振；互感；效率
1前言
无线电能传输技术为多种消费类电子设备提供了摆脱电源线束缚的充电方式，越来越获得消费市场的青睐，近年来发展迅速。据IHSMarkit研究表明，2017年全球共有近5亿台无线充电设备出货，而且预计未来五年内，不论是发射端还是接收端，无线充电设备的出货量还将持续上涨。
2无线电能传输技术
2.1主要技术对比
在国际商用领域，无线电能传输技术主要有三大标准，分别是Qi标准、Rezence标准和PMA标准。目前，Qi标准是由全球首个无线电能传输技术的标准化组织——WPC联盟推出的无线电能传输接口标准，它采用最为主流的电磁感应技术，实现了智能设备以5W和15W的功率进行无线电能传输，同时提供电动工具、厨房电器等设备在功率等级达到数十瓦乃至上千瓦时的无线电能传输技术方案。Rezence标准是由A4WP联盟（AllianceforWirelessPower）开发的基于磁共振原理的无线电能传输接口标准，该标准支持最大传输功率50W、最远距离5cm的无线电能传输，工作频率为6.78MHz。它还定义了蓝牙连接方式，用于控制功率级、识别有效负载、保护不兼容设备。PMA标准是由PMA联盟（PowerMattersAlliance）发布的基于电磁感应技术的无线电能传输标准，该技术支持最大传输功率5W，最远距离5mm的无线电能传输，工作频率为358kHz。2015年6月，A4WP联盟与PMA联盟合并，组建了一个新的非盈利性技术组织——AirFuel无线充电联盟，Rezence标准成为其主推技术标准。
2.2Qi技术
Qi是一种基于线圈间近场电磁感应，从基站到移动设备的非接触式电能传输技术。Qi无线充电系统由充电基站和一个或多个移动设备组成。基站包含一个或多个功率发射器，移动设备包含一个电源接收器。Qi技术定义了发射器和接收器之间两类交互：（1）电能传输交互——发射机通过磁感应来为接收机提供电能功率；（2）通信和控制的交互——接收机与发射机控制功率传输的信息通信。
Qi技术其主要特点有：
支持最高传输功率约为5W的基准功率范畴电能传输，同时通过合适的次级线圈（外部尺寸约为40mm）可支持最高传输功率约为15W的扩展功率范畴电能传输。
工作频率通常在87~205kHz。
提供多线圈的传输方式，充电时给移动设备的位置放置带来更大的自由度。
简单的通信协议，使移动设备能够完全自主控制电能传输过程。电功接收器通过幅移键控（ASK）的调制方式向电功发射器传送请求和其他信息，电功发射器通过频移键控（FSK）的调制方式向电功接收器提供同步和其他信息。
支持异物检测，该功能是基准功率范畴设备可选的功能，扩展功率范畴的设备必选的功能。
3超材料对电磁波的聚焦效应的比较研究
磁耦合谐振式无线电能传输主要利用近场的磁共振原理实现电能的中距离传输，超材料对倏逝波的聚焦效应弥补了磁耦合谐振式无线电能传输系统中发射线圈发出的电磁波在空气介质传播的过程中出现的衰减现象，从而有效提升了系统电能传输效率和传输距离。由于本文研究的无线电能传输方式为磁耦合谐振式无线电能传输，因此选取负折射介质，磁单负介质和非正定磁介质作为本文的主要研究对象，这三种超材料可分为各向同性介质（负折射介质、磁单负介质）和非正定磁介质。平板在ｘ轴和ｚ轴方向上为无限大且与ｙ轴垂直，由于本文主要考虑的是超材料对磁场的增强效应，所以可以将问题转化为超材料对二维ＴＥ波的增强效应研究，即：磁场分量ＨＹ，Ｈｘ以及电场分量Ｅｚ不为０。假设入射波电场强度为Ｅ０，超材料在其切向上的电厂分量Ｅｚ和磁场分量Ｈｘ可表示为
其中：ｋｘ和ｋｙ是ｘ轴和ｙ轴方向的波数，且：（ｋ０为自由空间的波数）；ｑｙ是超材料内部ｙ轴方向的波数；Ｒ、Ｔ是反射和透射系数；Ａ、Ｂ是电磁波在超材料板前向和后向的振幅。式（１）（２）的切向分量必须是连续的，然后考虑电磁波在自由空间中衰减，可以得出系统的总的透射系数
其中，负折射和磁单负介质的，非正定磁介质的。各向同性介质对点源射线的聚焦发生在板的另一侧的一点处，非正定磁介质在点源射线的聚焦属于在材料界面处的发散式的部分聚焦。为了进一步比较上述三种电磁超材料对电磁波的聚焦效应，运用ＣＯＭＳＯＬ软件模拟三种材料对电磁波的聚焦效应。在仿真中，设置一个宽为１５０ｃｍ的正方形区域，在其中设置一个宽为１０ｃｍ的区域用于模拟电磁超材料；在距离板区下侧面１５ｃｍ处，设置一个用于模拟发射出圆柱体的极化波的点源；区域中其他部分均设置为空气介质。对于负折射介质和磁单负介质，点源发射的磁场到达介质板的折射范围的磁矢量，在介质板的入射面处和出射面均与电源射线轨迹相同，即各向同性介质对磁矢量的折射以等光程点为焦点来实现对磁场的聚焦效果，因此只有在磁场的衍射范围内才会出现对电磁波的折射，而其他部分的折射都很微弱。非正定磁介质对磁场的折射现象与轨迹相同，它的聚焦点已经超出了板厚，因此在材料板的磁场出射面，磁场以一种向外发散式的方式传播。这种发散式的传播在该材料板的表面形成了一种衍射反应，因此相比于各向同性介质而言，非正定磁介质的传输范围更广，利于磁场的多点传输。
4结束语
我国国内已有相当数量的企业紧跟无线电能传输技术的发展，特别是Qi技术，已经有了大量的低功率应用产品。但是，大多数企业还是处于技术跟随的阶段，不断推出符合Qi标准的应用产品，Qi技术及其商标也越来越多的被中国市场所认可。介绍了磁耦合谐振式无线电能传输系统，通过理论分析和数值仿真两种研究手段比较了磁单负介质、负折射介质和非正定磁介质三种电磁超材料对磁场的聚焦效应，研究表明上述三种电磁超材料对磁场都具有聚焦效果，且聚焦效应有明显区别。
参考文献：
[1]刘野然，曾怡达.基于DE类功放的无线电能传输系统设计与分析[J].电子设计工程.2015，23（2）：98-101.
[2]赵争鸣，张艺明，陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报，2013，33（3）：1-13.
[3]李博，朱宸綦，刘佳敏.基于磁谐振技术的无线充电装置[J].电子设计工程.2016，24（10）：111-113.
论文作者:刘岳苹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：电能论文; 介质论文; 功率论文; 正定论文; 磁场论文; 技术论文; 材料论文; 《电力设备》2018年第16期论文;