【《电磁耦合谐振式无线电能传输（ICR-WPT）技术分析》2400字】

电磁耦合谐振式无线电能传输（ICR-WPT）技术分析 1.1.1 ICR-WPT系统结构电磁耦合谐振式无线电能传输即为ICR-WPT，其利用“电磁耦合谐振”原理实现，在感应场当中，电磁能量产生在一次侧发射线圈内部及其附近的空间，并来回传递，借助于此现象，基于电磁耦合谐振技术搭建一个ICR-WPT系统的一次侧发射端，产生大量未向外发射的电磁场能量，并聚集在一次侧的附近空间。若在系统内添加电容，则能约束住电场，使电场不产生向外界辐射的电磁场能量。ICR-WPT技术即为通过电磁场，与其中的高频交磁作为传送工具传输电能，且不产生对外界的辐射，传输效率大大增加。ICR-WPT系统拓扑结构大体由电源，变换电路，一次侧发射线圈，二次侧接收线圈及负载等结构组成，如图2-7。一次侧发射端线圈二次侧接收一次侧发射端线圈二次侧接收端线圈负载耦合磁场二次侧接收端变换电路电源一次侧发射端图2-7 ICR-WPT电能传输系统一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈可用谐振电路表示，电源经过变换电路后形成高频交流电能，给一次侧发射端线圈供电使其产生写真，生成额定频率的交变电磁场在一次侧发射线圈附近，在一次侧发射端线圈较近的位置安置二次侧接收线圈，使其谐振频率与一次侧发射端线圈吻合，当电磁场中存在振荡频率相同的多个电磁场时便会产生共振。当电磁场共振时，电能就能以ICR-WPT式进行高效快速传输。与IC-WPT式技术相比，ICR-WPT式电能传输技术因其向外辐射的无相电磁能量与漏磁较少，能量较为集中，因此传输效率相对IC-WPT式电能传输高很多，传输距离也大大增加。1.1.2 ICR-WPT系统电路模型通过一次侧发射端线圈与二次侧接收线圈进行电磁谐振耦合传输电能，这便是ICR-WPT系统的初级拓扑模型，这也被成为双线圈结构。但因ICR-WPT式传输技术原理所限，一次侧发射端线圈产生的交变电磁场只能在线圈附近维持，因此双线圈结构对电能的最大传输距离有一定限制，不能满足一些距离较长的特殊情况下的工作需求。鉴于此现象，三线圈、多线圈结构应运而生，近年来受到学者的广泛关注。有人提出三级线圈结构，是在一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间再加一级感应谐振线圈作为中继线圈，因中继线圈的加入，一次侧发射端线圈产生的交变电磁场经中继线圈后可延长其辐射范围，以此来增加ICR-WPT系统的传输距离。更有在此基础上进一步构想提出的四级线圈结构，是指再一次测发射端线圈与二次侧接收端线圈之间加入两级中继线圈，两级中继线圈与原有的一次测发射端线圈与二次侧接收端线圈相配合，作为主要的发射端与接收端，由此将主要发射端与电源分离，主要接收端与负载分离，不仅能够大大提升传输距离，更能进一步提高系统的稳定性，但因结构复杂，其可控性降低。以上几种ICR-WPT结构如下图2-8所示：发射发射线圈圈电源Rs接收线圈圈Rl发射线圈电源Rs接收线圈Rl中继发射发射线圈电源Rs接收线圈Rl中继一级中继二级（1）传统双线圈结构（2）三级线圈结构（3）四级线圈结构图2-8 ICR-WPT结构图WPT技术出现以来，人们对于WPT系统研究最为关心的性能指标永远是其传输功率的高低，因为其传输功率的高低决定了其在BEV充电中真正能够具有的实际应用价值，BEV较高容量的电池对WPT充电功率有着很高的要求，较低功率的WPT系统并不具有使用价值。因此，在分析研究ICR-WPT式系统时，其充电功率作为其最主要的分析对象，需要重点分析。因为三级线圈式ICR-WPT系统与四级线圈式ICR-WPT系统目前只停留在理论构想阶段，结构复杂且研究难度大，因此本文针对双线圈式ICR-WPT充电系统进行分析，三级四级线圈式ICR-WPT系统可以在此基础上进行参考分析。如下图图10，列出了几种不同结构的ICR-WPT系统拓扑结构，因为电磁谐振的产生可以通过一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈进行并联电容与串联电容两种不同的方式产生，因此双线圈式ICR-WPT系统有着串联-串联（即S-S）式，串联-并联（即S-P）式，并联-串联（即P-S）式，并联-并联（即P-P）式四种不同的拓扑结构。图中，Um为系统接收的原电源等效结构，Lp为一次侧发射端线圈电感、Ls为二次侧接收端线圈电感，Rp为一次侧发射端线圈等效内阻、Rs为二次侧接收端线圈等效内阻，RL为等效负载。22L21122CL1一次侧发射端线圈二次侧接收端线圈一次侧发射端线圈二次侧接收端线圈（1）S-S式（2）S-P式

11111112一次侧发射端线圈二次侧接收端线圈一次侧发射端线圈二次侧接收端线圈（3）P-S式（4）P-P式图2-9四种ICR-WPT电路结构ICR-WPT系统因其工作原理为电磁谐振耦合，系统的无向电磁辐射不会向外发散能量，漏磁量较低，因此其电磁辐射损耗功率极小，这也是ICR-WPT式系统相比IC-WPT系统的巨大优势所在。由上述原因可知，在ICR-WPT系统中的电磁辐射损耗你唔可以忽略不计，因此只需要考虑一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈里的欧姆电阻损耗，其损耗计算公式如下： &Roumu=μ0ωρ2Nr上式中，ρ为电导率；a为导线半径；r为线圈半径；N为线圈匝数接下来对四种不同补偿电容连接方式的ICR-WPT结构的等效电路模型进行输出功率分析：S-S式ICR-WPT系统输出功率:假设系统一次侧发射端线圈等效电阻为Zd1，二次接收端线圈等效电组为Zd2，则可得：&Zd1=Ls1令ICR-WPT系统一次侧与二次侧线圈之间互感为M，自感L，共振角频率为ω，则有： &&ω=1LnCn,在上式（2-20）中，D为一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈之间的距离，以米为单位。假设一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈的匝数相同，一次侧发射端线圈与二次侧接收端线圈的线圈半径相同。通过对二次侧接收端线圈电路的等效化简，可得到二次侧接收端线圈的等效电路，如下图2-10所示：图2-10 S-S式ICR-WPT系统二次侧接收端线圈等效电路上图2-10中，Zeq为二次侧接收端线圈的等效阻抗，等效到二次侧接收端线圈的电压源为Us，由此可得： &&Zeq=1jCs2二次侧接收端电路经过如上等效后，可通过功率公式，计算出等效电阻RL所消耗的功率： &Ps-s=RLUm2(Mω)S-P式ICR-WPT系统输出功率:S-P式ICR-WPT系统输出功率计算方法与S-S式ICR-WPT系统输出功率计算方式类似，不同之处是二次侧接收端线圈上电容由串联方式变为并联方式。其功率计算过程与之前重复率较高，限于篇幅因此不再赘述，这里直接给出S-P式ICR-WPT系统输出功率公式： Ps-p=Um2P-S式ICR-WPT系统输出功率:P-S式ICR-WPT系统输出功率计算方法与S-S、S-P式ICR-WPT系统输出功率计算方式类似，不同之处是一次侧发射段线圈上电容为并联形式、二次侧接收端线圈上电容为串联方式方式。其功率计算过程与之前重复率较高，这里直接给出S-P式ICR-WPT系统输出功率公式： &Pp-s=(ωM)2P-P式ICR-WPT系