自特斯拉首次嘗試為用電設(shè)備去掉電線已百年有余，但相關(guān)研究均未使無線電能傳輸技術(shù)實(shí)用化。直至2007年，美國Marin Soljacic教授領(lǐng)導(dǎo)的MIT團(tuán)隊(duì)從理論上獲得突破，利用磁耦合諧振的方式實(shí)現(xiàn)了2m距離下傳輸效率40%的效果，無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)的實(shí)用化才真正開始。

目前無線電能傳輸技術(shù)主要可分為三類：感應(yīng)式、遠(yuǎn)場輻射式和磁耦合諧振式。磁耦合諧振式相對于另外兩種方式有其特有優(yōu)勢：相較于感應(yīng)耦合式，其傳輸距離較遠(yuǎn)，一般可達(dá)數(shù)米；對于遠(yuǎn)場輻射式，諧振式傳輸效率較高，理論證明磁耦合諧振式在傳輸距離為1.98m時(shí)，傳輸效率仍可達(dá)97%，且傳輸路徑允許存在障礙物，應(yīng)用條件更為寬松?；谏鲜鰞?yōu)勢，諧振式無線電能傳輸技術(shù)在無線傳感器、移動電子設(shè)備、充電汽車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

目前針對諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)工作機(jī)理的理論主要分為以下三種：耦合模理論、散射網(wǎng)絡(luò)理論和電路理論。三種理論雖然均可對WPT系統(tǒng)的耦合特性進(jìn)行了較好的描述，然而也各有缺點(diǎn)。

耦合模理論重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)能量的耦合，無法描述帶有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，因此不利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)；散射網(wǎng)絡(luò)理論將整個(gè)耦合系統(tǒng)視作“黑盒子”，內(nèi)部元件的狀態(tài)不予考慮，因此，加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度；電路理論可以較為精確地描述復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)和各個(gè)元件的狀態(tài)。

然而，由于電路理論通?？剂康氖窍到y(tǒng)的功率分布，因此在一定程度上造成了系統(tǒng)工作不直觀等不足。除此之外，還有基于耦合模模型的能量分析方法，然而，該方法僅討論了四種基本補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，并不具有普遍性，因而無法指導(dǎo)其他補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本文在電路理論和耦合模理論的基礎(chǔ)上提出了一種針對無線電能傳輸系統(tǒng)的能量流模型，該模型不僅可以精確地描述不同元件的時(shí)域能量，還可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行能量層面的描述，相較于傳統(tǒng)理論更加直觀清晰。為了驗(yàn)證模型正確性，本文還進(jìn)行了建模仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 SS型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

結(jié)論

本文結(jié)合電路理論與耦合模理論提出了一種針對無線電能傳輸系統(tǒng)的新型能量流模型，并據(jù)此推導(dǎo)出了各元件的時(shí)域能量和電壓表達(dá)式以及各回路的電流表達(dá)式。能量流模型建立在電路和耦合模兩種理論的基礎(chǔ)上，微觀上可以描述各個(gè)元件的能量時(shí)域狀態(tài)，宏觀上則以諧振線圈為基本單元可以描述系統(tǒng)耦合狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中電容、電感的電壓波形基本與仿真結(jié)果吻合，證明了能量流模型的正確性。因此，該能量流模型能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有理論的不足，更加全面地描述系統(tǒng)工作過程，對于WPT系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化更具有指導(dǎo)意義。