王敬琦
榆林市广播电视中心 陕西榆林 719000
摘要：无线电能传输技术（WirelessPowerTransfer，WPT）是指电能不通过电气直接接触从电源侧传递至负载侧的传输方式。该技术有效地解决了电线老化、摩擦等问题，使人类摆脱了“有线”的束缚，被广泛应用于电动汽车、植入式医疗器件、生物医学实验、电子产品等方面，极大地方便了人们的生活。无线电能传输技术主要分为感应式WPT、微波式WPT以及磁耦合谐振式WPT三种，其中，磁耦合谐振式WPT作为一种传输距离较远、效率高、功率大、潜在实用价值高的中距离传输技术，受到各国学者的关注。随着科技的进步，无线充电技术受到广泛重视。对于电子产品来说，无线充电不存在充电接口，可以提高产品的防水性能，避免充电接口的不兼容问题，能够实现智能化自动控制，省去了充电线等连接器件，大大提高了电子产品的便携性。无线充电技术发展方向忽略了无线充电系统的传输距离、传输效率、多端接收等问题。对磁耦合式多接收端无线电能传输系统进行研究，建立了传输特性方程和功率传输方程，进行传输特性分析，制作实验样机验证了设计的磁耦合式双接收端无线电能传输系统具有传输距离远、传输效率高、可进行群充等优点。基于此，本篇文章对线圈偏移对无线电能传输效率的影响及优化进行研究，以供参考。
关键词：线圈偏移；无线电能传输效率；影响；优化措施
引言
磁耦合无线电能传输（ＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｕｐｌｉｎｇＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ，ＭＣ－ＷＰＴ）系统基于电磁场耦合原理，结合高频变换及谐振补偿等技术打破了传统电能传输的局限性，脱离了导线对用电设备的限制，可应用在新能源汽车无接触快速充电及智能手机无线充电等领域。由于ＭＣ－ＷＰＴ系统避免了金属导片易产生火灾的隐患，对于煤矿井下含有易燃易爆气体的工作环境，ＭＣ－ＷＰＴ系统可提高工作安全性。ＭＣ－ＷＰＴ系统自然振荡频率与预设谐振频率一致可使系统频率稳定，保证系统工作在期望状态。然而系统自然振荡频率易受电路参数影响，出现频率分叉现象，即出现多个自然振荡频率均能使系统原边电路呈纯阻性，偏离预设的谐振频率，极大地影响系统传输功率和效率。针对非对称ＭＣ－ＷＰＴ系统频率分叉现象造成输出功率下降的问题，提出一种跟踪系统分叉频率并对副边电路进行阻抗匹配的方法，但采用电容阵列进行匹配，系统较为复杂。通过分析串并式ＭＣ－ＷＰＴ系统的等效电路模型，总结系统失谐的原因，设计了以电压换向点的电流采样平均值作为输入电压频率调节依据的频率跟踪策略，但没有具体探讨频率稳定的参数范围。对ＭＣ－ＷＰＴ系统频率分叉域的频率变化规律进行了研究，得到了频率分叉域内系统谐振频率有可能保持为最佳谐振频率点不变的结论。针对ＭＣ－ＷＰＴ系统过耦合干扰因素下频率分裂引起的传输功率下降问题，采用自适应频率跟踪控制算法，增强了系统的传输稳定性，但未对频率稳定性的本质进行探讨。讨论了耦合系数变化对频率稳定性的影响，并提出传输效率的优化措施。
1传输效率模型求解
遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的算法，具有适用范围广，全局搜索能力强的优点，能够求解非线性、离散型的优化问题。为使MCＲWPT系统达到最高的传输效率，以d23，ＲL，N2，N3为变量，利用遗传算法对传输效率进行优化求解。求解问题的步骤如下:1)首先确定4个变量的取值范围，并进行编码，其中传输距离、负载的取值连续，发射、接收线圈匝数的取值离散;2)根据编码规则，随机产生足够大的初始种群;3)将个体基因进行解码，代入式(3)，计算个体所对应的传输效率;4)选择传输效率较高的个体，通过交叉、变异的遗传操作，产生具有较优基因的新一代种群，并计算新一代种群中个体的传输效率;5)当遗传算法产生了足够多的代数时，历代种群中的最优解即为全局最优解。
2影响分析
2.1传输效率受传输距离、负载的影响
当负载确定时，存在一个使传输效率达到峰值的最佳传输距离。ＲL较小时，随着d23的增大，传输效率急剧下降;ＲL较大时，随着d23的增大，传输效率先提高后衰减，但衰减的幅度变缓。随负载增大，最佳传输距离增大。并不是传输距离越短传输效率越高，因为传输距离的缩短会造成能量发射线圈与能量接收线圈的耦合系数增大，而耦合系数增大到频率分裂的临界点时，会产生频率分裂现象，造成系统传输效率迅速下降。不适合的传输距离不仅会降低传输效率，还会为系统带来敏感性强的问题。因此，对于已经确定负载大小的情况，应选取最佳的传输距离以使系统稳定、传输效率最优。
2.2传输效率受发射、接收线圈匝数的影响
随着负载电阻的逐渐减小，传输效率的极大值点所对应的N3越来越小。当负载较大时，传输效率随着N2，N3的增大逐渐提高;但当负载较小时，传输效率随N2的增加不断提高，随N3的增加先提高后衰减，存在一个使效率最大化的N3。因此，设计线圈匝数时，应根据负载的情况分别设计能量发射线圈与能量接收线圈，以使传输效率最优。
3优化系统传输效率
在电动汽车进行无线定点充电时，会出现停车不对准问题，此时发射线圈与接收线圈间会出现中心轴线径向偏移，系统传输效率下降。为了提高停车不对准时系统的传输效率，本文将发射线圈设计成在一定范围内可旋转模式。当2个线圈间发生中心轴线径向偏移时，发射线圈旋转角度αopt，使线圈间互感在该径向偏移距离下最大，此时系统的输效率也最大。图9为线圈间轴线径向偏移距离与发射线圈最优旋转角度αopt的对应关系。当Δ一定时，角度αopt为M取Mmax时所对应的α值。由图2可知，随着Δ的增加，最优偏移角度增大；当Δ=0.205m时，偏移角度达到极限90°；此后随着Δ的增加，曲线保持不变。
4仿真实验验证
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由图1可知，发射线圈与接收线圈间发生径向偏移时，随着偏移角度的增大，系统传输效率随着发射线圈偏移角度的增加先增大后减小，存在一个最优的偏移角度αopt，使得系统效率最大。表1为在同一径向偏移距离下，最优偏移角度点与角度不偏移点的实验数据对比表。由表1可知，与发射线圈不偏移时相对比，系统传输效率得到了有效的提高；实验所得αopt的位置与理论分析基本一致。因此，本文提出的优化方式——将发射线圈设计成可旋转，随着径向偏移距离的变化，旋转角度遵循图2所示规律，有效可行。
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结束语
在磁耦合多端无线电能传输系统中，发射线圈和接收线圈之间的回路均采用串联谐振电路模型，根据磁耦合原理和线圈之间能量传递关系，求解总传输效率方程。分析单接收端和多接收端无线电能传输系统的传输特性，求解输入和输出电压分比与频率的关系，同时确定了失谐因子对电压分比的影响。通过实验测试验证发射线圈和接收线圈偏移量和负载阻抗对整个系统效率的影响，在设计的双端无线电能传输系统中线圈最大偏移量能超过20cm，整体最大传输效率超过71%，优于现有其他单接收端无线传输系统，可实现更远距离、更高效率的无线电能传输。
参考文献
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