【《无线充电原理分析概述》2700字】

无线充电原理分析概述引言本章节主要内容为简单介绍目前无线电能传输技术的六种主要传输方式。并且重点介绍磁感应耦合式无线充电方式的原理，影响因素以及解析计算方式。1.1当前无线充电技术主要形式目前无线电能传输技术根据传输机理不同，可区分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等。磁感应耦合式和磁耦合谐振式都是利用原边线圈产生交变磁场将电能耦合到接收线圈。由电磁感应理论可以得出，导体在磁通量不断变化的磁场中会产生感应电动势，同时如果该回路为闭合回路，将会产生感应电流。其中磁感应耦合式所要求的传输距离是最近的，但传输效率也最高，当代许多便携式电子产品使用的都是磁感应耦合式的无线充电系统。磁耦合谐振式可以理解为是磁感应耦合式无线充电的一种特殊情况，它的系统通过发射线圈与接收线圈的谐振达到一种高效的非辐射的能量传输，相比于磁感应式，他的应用距离要更大，如目前电动汽车充电使用的正是磁耦合谐振式的无线充电系统。对于这两种无线充电方式的适用范围可参考下方图1.1.1。图1.1.1应用范围微波辐射式和激光方式的无线电能传输都是利用远场辐射效应在自由空间进行电能传输。两者进行比较，微波辐射式的传输距离较远，大气损耗更小，但发射角大，功率密度低；激光方式具有优秀的定位性，而且能量密度高，但定位精度要求极高，目前对于定位技术的研究并不成熟。与前面几种无线充电方式相差较大的是超声波式，超声波式以超声波作为媒介，通过发射或接收换能器的逆压电效应和正压电效应实现电能–机械能–声能和声能–机械能–电能的能量转化。但该方式的传输功率较低，传输效率也不高。主要用于给植入式医疗器械和封闭空间环境中的设备供电。（引用）电场耦合式无线电能传输技术主要通过采用金属平板电容的交互电场耦合的电场耦合机构进行无线电能传输的。这种技术传输功率较小，但是产生的电场对人体的危害较大，同时目前国内外对这种技术的研究还相对较少。几种无线充电对比及优缺点可参考如下表格图1.1.2图1.1.21.2磁感应耦合式系统基本结构及工作原理磁感应耦合式的无线充电系统基本结构如图1.1.1所示。一般的磁感应耦合式无线充电系统主要由整流滤波、DC-AC高频逆变、原边补偿、可分离变压器（发射线圈与接收线圈）、副边补偿、电流调理等。其基本工作原理是外部从电网将工频交流交流电通过整流逆变后转换成高频交流电，然后输入到原边线圈（发射线圈）处，在高频电磁场的电磁耦合下将电能传输到副边线圈（接收线圈），从而得到经无线传输的电能，最后通过电流调理电路转化成负载设备可使用的工作电流。其中无线充电的线圈一般不采用缠绕于同一铁芯的紧耦合结构，因为采用紧耦合将会大大降低系统的自由度，从而降低实用性，因此通常会选择拥有松耦合结构的可分离式变压器，并通过一定手段来提升松耦合的传输效率。例如根据电磁感应理论与楞次效应，人们可以采用提高原边线圈的交变电流频率来增强电磁感应强度。再例如通常无线充电系统会添加补偿电路对系统的漏感进行补偿。还可以通过采用高导电性材料增加线圈固有属性。图1.1.11.3线圈电磁感应解析计算方法磁感应耦合式无线充电电路原理图如图1.3.1所示（待补充）C1，C2电容分别与发射线圈和接收线圈串联，左侧ug正弦交流电源为发射线圈提供交变电流，Rg表示电源端的内阻值，右侧与接收线圈处于同一回路的电阻RL表示负载的电池，两端电压为UL，中间的两电感L1和L2相互耦合，互感系数为M。由于无线充电属于松耦合，因此耦合系数k大小处于小于一大于零的区间内。图1.3.1根据公式，耦合系数可由M与L1，L2求得电容C1，C2为储能元件，在电路中作为补偿电路，用于无线充电提高传输性能，在下一节将对补偿电路详细介绍。根据基尔霍夫定律，左侧网孔可表示为根据法拉第定律，通过i表示u令：通过上述推导可求得输入阻抗为联立上述网孔方程，通过Z表示电流得通过以上推导可求得输出功率为传输效率为通过以上推导不难看出无线充电系统的传输效率不仅与耦合系数k和互感系数M有关，还与系统中其他多个参数有关，例如系统的工作频率，补偿电路电容大小，回路阻抗，线圈电感值，以及负载阻抗。1.4磁感应耦合式无线充电系统补偿网络由于磁耦合感应式无线充电系统最关键部分可分离式变压器为松耦合结构，接收线圈与发射线圈之间必然存在气隙，导致模型存在漏感，降低了系统传输效率。为提高此系统的传输效率，通常系统会引入补偿电路。在一般的补偿电路中，通常引入电容，从而提高容抗抵消漏感，这种电容被称作补偿电容，这种电路一般会被设置工作频率为谐振点附近。电路的谐振频率也成为电路的固有频率，它只由电路本身固有参数L和C决定。计算公式为当处于这个频率时，补偿电容就能将电感上的电压降部分或完全吸收。另外，由于无线充电负载一般为电池，在充电过程中可能与电池的工作电压电流不匹配，补偿电容可以使系统拥有较大的功率输出和传输效率。在谐振网络的设计中，针对电容与电感不同的连接方式，可以分成四种，分别为纯串联式，纯并联式，串并联混合式。在实际工程应用中一般有九种谐振网络拓扑结构形式：SS结构，SP结构，S-LCL结构，PS结构，PP结构，P-LCL结构，LCL-S结构，LCL-P结构，LCL-LCL结构，每种结构都由发射和接收两个谐振网络组成。但是LCL结构需要安置除线圈外额外的电感，导致部分能量流失，因此小功率无线充电系统中一般不考虑这种结构。因此只需考虑：SS，PP，SP，PS四种结构。四种结构如图1.4.1所示1.4.1四种补偿结构四种结构如图所示，Cp和Cs分别为发射线圈补偿电容与接收线圈补偿电容。在实际应用中分为单边补偿和双边补偿。单边补偿即只对一侧线圈进行补偿，这种补偿方式可以节省元器件和优化系统电气特性，让其他工作元器件更耐久。双边补偿即为两侧都设置补偿电容，通过这种设置能减少损耗功率，从而提高传输效率。同时补偿网络及为谐振网络，因此发射线圈的补偿电容是为了消除电压与电流之间的电位差，以降低高频逆变电路的压力。四种补偿结构与补偿电容关系如图1.4.2所示图1.4.2四种补偿网络与补偿电容关系1.5问题提出与猜想对于磁感应耦合式无线充电在现实中的应用时感应电压大小可能受多种因素影响，如充电时离无线充电底座存在一定距离，充电期间线圈未对齐，或者充电期间没有与底座线圈平行。这三种情况都可以建立仿真模型进行研究。1.5.1问题提出1.接收线圈感应电压大小与平行线圈间纵向距离存在何种关系1.接收线圈感应电压大小与平行