磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸（Magnetic Resonance Coupling Wireless Power Transmission,MRC-WPT）技術(shù)利用具有相同諧振頻率的諧振線圈，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。該技術(shù)具有電磁輻射小、傳輸功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如無(wú)尾電視、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電動(dòng)牙刷等家用設(shè)備的充電或供電。

提高電能傳輸?shù)撵`活性是MRC-WPT技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。手機(jī)和平板電腦等掌上移動(dòng)設(shè)備需立式工作且角度不固定，傳統(tǒng)靜止水平放置的平臺(tái)式充電方式無(wú)法滿足邊工作邊充電的需求。新型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)可以解決無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)工作的方向問(wèn)題。

• 文獻(xiàn)[3]通過(guò)研究任意放置的空心線圈之間的耦合系數(shù)來(lái)分析方向改變對(duì)耦合系數(shù)的影響，得到系統(tǒng)在欠耦合、臨界耦合和過(guò)耦合三種狀態(tài)下的方向特性。
• 文獻(xiàn)[5]提出了有效傳輸距離的概念，并通過(guò)對(duì)最大傳輸距離影響因素的分析得到了線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
• 文獻(xiàn)[6-7]提出了相互垂直的雙發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制兩發(fā)射線圈的電流大小和相位，來(lái)實(shí)現(xiàn)接收線圈多種位置下穩(wěn)定的功率傳輸。
• 文獻(xiàn)[8]提出十字交叉發(fā)射線圈，實(shí)現(xiàn)掌上移動(dòng)電子設(shè)備的三維無(wú)線充電。
• 文獻(xiàn)[9]提出了相互垂直的四線圈激勵(lì)的無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以延長(zhǎng)傳輸距離，而且減弱了功率傳輸對(duì)方向的敏感度。

另一種改變功率傳輸路徑的方案是引入中繼線圈。

• 文獻(xiàn)[10]分析了中繼線圈在諧振頻率時(shí)的工作特性以及電流放大的理論機(jī)理，提出利用中繼線圈增強(qiáng)系統(tǒng)空間磁場(chǎng)的方法。
• 文獻(xiàn)[11]對(duì)雙中繼和三中繼線圈情況下系統(tǒng)的傳輸功率和效率進(jìn)行分析，得到負(fù)載功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的中繼線圈位置及系統(tǒng)效率。
• 文獻(xiàn)[12]提到中繼線圈可以改變功率傳輸路徑，并且當(dāng)發(fā)射線圈和中繼線圈垂直放置時(shí)，可以點(diǎn)亮與中繼線圈同軸放置的接收線圈連接的燈泡。
• 文獻(xiàn)[13]指出雖然發(fā)射線圈與中繼線圈同軸平行放置時(shí)傳輸效率高于垂直放置的形式，但是垂直放置結(jié)構(gòu)可以改變功率傳輸方向。
• 文獻(xiàn)[14]采用發(fā)射線圈與中繼線圈垂直排列方式，成功點(diǎn)亮了150W的LED電視。

中繼線圈的引入也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，非相鄰線圈之間的交叉耦合會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率多路徑傳輸，并對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，如各線圈的電流幅度和相位以及引起傳輸功率極值點(diǎn)的擾動(dòng)、降低系統(tǒng)在工作頻率上的傳輸功率和效率。尤其是發(fā)射線圈與中繼線圈相互垂直的結(jié)構(gòu)中，交叉耦合系數(shù)甚至高于相鄰線圈間的耦合系數(shù)。

文獻(xiàn)[15]研究了插入同軸中繼線圈后，交叉耦合對(duì)系統(tǒng)傳輸功率和效率的影響。文獻(xiàn)[16]分析了中繼線圈對(duì)系統(tǒng)頻率分裂的影響，并給出了中繼線圈位置的優(yōu)化方法。

雖然目前對(duì)中繼線圈的研究較多，但主要集中于傳統(tǒng)平行中繼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性分析，對(duì)垂直中繼結(jié)構(gòu)的綜合分析和基于垂直中繼結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究較少。本文提出一種基于垂直中繼線圈結(jié)構(gòu)的無(wú)線充電系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了L形無(wú)線充電基座。

為了優(yōu)化基座設(shè)計(jì)，首先，從等效電路模型出發(fā)，分析了系統(tǒng)的功率傳輸特性；其次，在三種典型的接收線圈位置情況下，研究了系統(tǒng)傳輸功率和效率與各線圈之間耦合的關(guān)系；最后，對(duì)中繼線圈與發(fā)射線圈的相對(duì)位置進(jìn)行仿真優(yōu)化以提高系統(tǒng)傳輸效率。

圖1 垂直中繼結(jié)構(gòu)無(wú)線充電系統(tǒng)示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于垂直中繼結(jié)構(gòu)的L形無(wú)線充電裝置，并通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)接收線圈三種典型位置時(shí)的系統(tǒng)傳輸特性進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1）在不發(fā)生頻率分裂的情況下，系統(tǒng)的傳輸效率的變化規(guī)律與中繼線圈和接收線圈之間的互阻抗的變化規(guī)律相同。

2）在不發(fā)生頻率分裂的情況下，由中繼線圈傳輸?shù)墓β蔖23越大，系統(tǒng)效率越高。

3）垂直中繼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗角度偏轉(zhuǎn)的能力，在僅有角度偏轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的傳輸功率基本恒定。

通過(guò)理論分析結(jié)合仿真對(duì)中繼線圈相對(duì)發(fā)射線圈的位置進(jìn)行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)傳輸效率，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了優(yōu)化的有效性。