磁耦合諧振式無線電能傳輸（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，已被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品，如無尾電視、計算機、手機、電動牙刷等家用設(shè)備的充電或供電。

提高電能傳輸?shù)撵`活性是MRC-WPT技術(shù)的研究熱點之一。手機和平板電腦等掌上移動設(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式充電方式無法滿足邊工作邊充電的需求。新型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)可以解決無線電能傳輸系統(tǒng)工作的方向問題。

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

另一種改變功率傳輸路徑的方案是引入中繼線圈。

• 文獻[10]分析了中繼線圈在諧振頻率時的工作特性以及電流放大的理論機理，提出利用中繼線圈增強系統(tǒng)空間磁場的方法。
• 文獻[11]對雙中繼和三中繼線圈情況下系統(tǒng)的傳輸功率和效率進行分析，得到負載功率最大時對應(yīng)的中繼線圈位置及系統(tǒng)效率。
• 文獻[12]提到中繼線圈可以改變功率傳輸路徑，并且當發(fā)射線圈和中繼線圈垂直放置時，可以點亮與中繼線圈同軸放置的接收線圈連接的燈泡。
• 文獻[13]指出雖然發(fā)射線圈與中繼線圈同軸平行放置時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[14]采用發(fā)射線圈與中繼線圈垂直排列方式，成功點亮了150W的LED電視。

中繼線圈的引入也帶來了一些新的問題，非相鄰線圈之間的交叉耦合會導(dǎo)致系統(tǒng)功率多路徑傳輸，并對系統(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的擾動、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[15]研究了插入同軸中繼線圈后，交叉耦合對系統(tǒng)傳輸功率和效率的影響。文獻[16]分析了中繼線圈對系統(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)計研究較少。本文提出一種基于垂直中繼線圈結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)，并設(shè)計了L形無線充電基座。

為了優(yōu)化基座設(shè)計，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，對中繼線圈與發(fā)射線圈的相對位置進行仿真優(yōu)化以提高系統(tǒng)傳輸效率。

圖1 垂直中繼結(jié)構(gòu)無線充電系統(tǒng)示意圖

圖4 實驗平臺

總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于垂直中繼結(jié)構(gòu)的L形無線充電裝置，并通過仿真及實驗對接收線圈三種典型位置時的系統(tǒng)傳輸特性進行了分析，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)具有較強的抗角度偏轉(zhuǎn)的能力，在僅有角度偏轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)的傳輸功率基本恒定。

通過理論分析結(jié)合仿真對中繼線圈相對發(fā)射線圈的位置進行優(yōu)化，提高了系統(tǒng)傳輸效率，并通過實驗證明了優(yōu)化的有效性。