（电力电工
机电工程技术2016年第45卷第08期
DOI: 10.3969 /j.issn.10099492.2016.08. 024
四线圈谐振耦合无线能量传输系统的建模与分析
熊辉，徐琦
（华中科技大学自动化学院/图像信息处理与智能控制教育部重点实验室，湖北武汉
430074）
摘要：磁耦合谐振无线能量传输作为一种新型无线能量传输技术，为小型家用电器、体内植人器件等提供了一种安全、高效且传输距离较长的能量供给方式。在建立磁耦合谐振无线能量传输系统等效电路模型的基础上，推导出系统效率与模型参数的关
系表达式，并对系统的驱动线周和负载线圈的失请进行了深人分析，理论分析与实验结果一致。关键词：无线能量传输；谐振；传输效率；耦合系数
中图分类号：TM724
文献标识码：A
文章编号：10099492（2016）08008005
ModelingandAnalysisofFourCoilsResonantCouplingwirelessPower
TransmissionSystem
XIONGHui，XUQi
(Key Laboratory of Image Processing and Intelligent Control of Education Ministry, School of Automation, Huazhong
University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: Magnetically coupled resonancebased wireless power transfer (WPT) is a norel technology to deliver power to small household appliances and biomedical implants with safety and high efficieney way over relatively long distance, In this paper we explored the variation of transfer efficiency with model parameters based on the equivalent circuit moxdel of magnetically resonant coupling wireless power transfer system. Moreover, the detuning effect of driver and load loops on the system performance was clarified in detail. The modelbased analysis
was validated by the experimental results, which provided a good guidance no how to design the WPT system. Key words: wireless power transfer; resonance; transfer efficiency:; coupling coefficient
0引言
磁耦合谐振无线能量传输(SCMR)技术最早由Marin Soljacic教授等人于2007年提出并被验证，该技术能够在中距离的范围内实现无线能量的高效传输"-)。
研究学者对SCMR无线能量传输技术的研究主要集中在系统结构、频率分裂特性以及阻抗匹配等方面。 LeonardoSandrolini等研究了两线圈系统的并联谐振模型和串联谐振模型-，并提出效率较高的混合谐振模型"，还详细分析了系统的频率分裂及阻抗匹配特性等6-9，但其研究并未涉及到复杂度更高的四线圈系统的相关模型，因此其结论无法应用到四线圈系统中。Johari，R等研究了基于四线圈系统的多发射阵列模型"-川，但其文中使用的四线圈系统中，并未对其驱动线圈和负载线圈进行调谐处理，即无相应的临界耦合系数及效率对比等。Jong-Wook Lee 等研究了四线图系统串联模型，其文中使用了四线图串审联谐振的系统模型，并未对驱动线圈和负载线圈的失谐进收稿日期：20160229
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行理论分析，因此也不适于实际系统的建模分析及设计。由此可见，虽然国内外学者对两线圈及四线圈系统特性进行了大量的研究，而对于较为复杂的驱动线圈和负载线圈失谐的四线圈系统模型及其与四线圈系统串联谐振模型的对比方面的研究却十分鲜见。研究学者在实际设计四线圈系统的过程中缺乏对于系统建模的对比分析，难以选择最合适的系统模型以及设计最优的系统。因此，对于驱动线圈和负载线圈是否谐振这两种系统的对比研究十分必要。
本文的研究主要集中在对四线图系统磁耦合谐振无线能量传输系统中，对驱动线圈和负载线图谐振失谐对系统传输效率及临界精合时对应的传输距离的影响，并分析了延长四线圈系统传输距离的方法。先讨论四线圈系统模型的建立以及对系统传输效率和临界耦合状态的分析，然后分析了驱动线圈和负载线圈在不同条件下系统传输效率和传输距离的差异，最后用实验进行验证，