電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)探索

劉偉

摘要：在當(dāng)前我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的背景下，無(wú)線供電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)新能源、物聯(lián)網(wǎng)、電子通信等行業(yè)都帶來(lái)了新的突破點(diǎn)。根據(jù)無(wú)線供電技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，主要原理是通過(guò)利用非輻射性的無(wú)線能量傳輸方式，驅(qū)動(dòng)相關(guān)電器。電場(chǎng)耦合式作為無(wú)線供電技術(shù)中的一種形式，是在分布電容基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種耦合方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。本文主要探究了電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)，希望能為我國(guó)無(wú)線供電領(lǐng)域的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)線供電技術(shù);電場(chǎng);耦合式;電路模型

中圖分類號(hào)： G632 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在無(wú)線供電技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，主要通過(guò)某種特定裝置，將電能通過(guò)無(wú)線方式，傳輸給相關(guān)用電設(shè)備，是一種新型的電能傳輸技術(shù)。無(wú)線供電技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)電能傳輸工作中對(duì)電纜等電力設(shè)備的依賴，能夠有效降低電能傳輸成本，減少相關(guān)電力設(shè)備的安裝與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式供電與特殊場(chǎng)合的供電。

1 電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)的相關(guān)概述

根據(jù)無(wú)線供電技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看，最早是由尼古拉·特斯拉提出的供電方式，之所以至今還未得到廣泛應(yīng)用，主要原因是在無(wú)線電力傳輸時(shí)，電磁波在自由空間中的傳輸會(huì)導(dǎo)致能量不易集中，特別是對(duì)于微波而言，直接漫射在空間當(dāng)中，導(dǎo)致本來(lái)不多的能量衰竭得更快。但是，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，目前在全世界范圍內(nèi)，無(wú)線供電技術(shù)已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的重要研究領(lǐng)域。根據(jù)我國(guó)無(wú)線供電技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，對(duì)于該技術(shù)的研究主要集中在電波傳導(dǎo)式無(wú)線供電技術(shù)、磁耦合共振式無(wú)線供電技術(shù)、電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)。有關(guān)無(wú)線供電技術(shù)的應(yīng)用，在小型家用電器、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域都得到了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的應(yīng)用[1]。在諸多無(wú)線供電類型中，電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)作為一種新興的無(wú)線供電方式，具有體積小、水平錯(cuò)位能力強(qiáng)、安全性高、電磁干擾小等特點(diǎn)，目前無(wú)線供電技術(shù)得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。在我國(guó)，電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電技術(shù)在信號(hào)傳輸方面已經(jīng)有了較為深入的研究，但是在能量傳輸方面仍舊處于初步研究階段，有關(guān)能量傳輸效率、傳輸功率還有待進(jìn)一步的提高[2]。

2 電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知，電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)主要由發(fā)射端與接收端構(gòu)成。在發(fā)射端中包含電源Us與兩個(gè)極板P1、P3。系統(tǒng)的接收端與發(fā)射端十分類似，也存在兩個(gè)極板，分別為P2、P4，在兩個(gè)極板連接中，存在負(fù)載RL。對(duì)于四個(gè)極板而言，在發(fā)射端的P1、P3為主動(dòng)極板，其他極板為被動(dòng)極板。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，極板間會(huì)傳輸位移電流，電流通過(guò)極板P1后會(huì)以電場(chǎng)耦合的方式傳輸?shù)絇2，再傳輸?shù)絇4，電流最終會(huì)返回到P3極板中。這樣一來(lái)這四個(gè)極板以及電源Us、負(fù)載RL會(huì)構(gòu)成一個(gè)完整回路，最終保障電能能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線傳輸[3]。

3 電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的抽象電路模型

根據(jù)電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型來(lái)看，可以利用該結(jié)構(gòu)的工作原理，將整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽象為電路模型。具體情況如下所示。

由圖2可知，在無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，（a）圖里的Us、C1、C2、RL分別代表了交流電源，P1、P2組成的等效電容，P3、P4組成的等效電容，負(fù)載電阻。電路圖顯示，這些設(shè)備共同組成了一個(gè)串聯(lián)回路。在無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的交流電壓源、導(dǎo)線傳輸損耗現(xiàn)象，可以將其簡(jiǎn)化為（b），這是（a）的簡(jiǎn)化電路。其中Us、RL分別代表了無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的交流電源、負(fù)載電阻。電路模型圖中的C '、RZ主要代表了無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的傳輸阻容抗，RZ代表了損耗等效電阻。常見(jiàn)的損耗等效電阻包含有輻射損耗、趨膚效應(yīng)、電壓源內(nèi)阻等，C '主要代表的是C1、C2構(gòu)成的等效容抗[4]。

4 理論分析計(jì)算

由上述內(nèi)容可知電場(chǎng)耦合無(wú)線供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，可以在此基礎(chǔ)上對(duì)該等效電路模型開(kāi)展分析計(jì)算工作。筆者根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)下述內(nèi)容論述了有關(guān)電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的具體情況。

電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)載RL的電壓可以用以下公式進(jìn)行表示：

RL代表了電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載電阻，其中Z代表了傳輸阻抗。等式當(dāng)中的Us主要代表了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的交流電壓源有效值。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?代表了無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸容抗。RZ代表了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的損耗等效電阻。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)獲得的功率為傳輸功率，可以用以下公式進(jìn)行表示[5]：

PL主要代表的是電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的傳輸功率，UR主要代表了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)負(fù)載兩端獲得的電壓。RL代表了電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載電阻，其中RZ代表系統(tǒng)損耗等效電阻。為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的傳輸容抗。在RL恒定的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行想要獲得最大的傳輸功率，必須以傳輸阻抗為必要條件。如果不考慮系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)傳輸阻抗中的容抗部分無(wú)功功率，那么在RL恒定的情況下，Rz越小，系統(tǒng)運(yùn)行效率越高。如果要考慮電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率條件下的傳輸效率，那么在RL恒定的情況下Rz越小，系統(tǒng)運(yùn)行效率也越大[6]。

5 電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)以及仿真驗(yàn)證

在電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，制約系統(tǒng)傳輸功率以及傳播效率的主要因素為系統(tǒng)中的傳輸阻抗[7]。要想提高電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸功率以及傳輸效率，就需要從傳輸阻抗入手，降低傳輸阻抗，增加系統(tǒng)負(fù)載電阻，讓負(fù)載電阻在運(yùn)行過(guò)程中獲得更多的電壓，這對(duì)于提高電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行效率來(lái)說(shuō)是一種切實(shí)可行的方法。但是在此過(guò)程中需要注意的是，隨著電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)傳輸頻率的升高，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)輻射損耗以及趨膚效應(yīng)愈發(fā)明顯，帶來(lái)的損耗電阻也會(huì)越來(lái)越大。

為了能夠?qū)﹄妶?chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行情況開(kāi)展計(jì)算和仿真對(duì)比工作，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，我們將其最大傳輸功率設(shè)置為1 W，此時(shí)負(fù)載電阻為1Ω，交流電壓源的有效值為1 V。如果要使電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)獲得更大功率，那么需要增加交流電壓源的電壓有效值，這樣才能確保電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

通過(guò)對(duì)各種改進(jìn)方法效果的對(duì)比，最終電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)使用了下圖中的基本電路模型。通過(guò)利用Matlab進(jìn)行計(jì)算與分析，最終可以使用Multisim開(kāi)展電路仿真驗(yàn)證工作。

圖中U1代表交流電壓源，C1、R2代表傳輸阻抗，R1代表系統(tǒng)負(fù)載電阻。具體電路模型元器件取值如圖3所示。

6 電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的常見(jiàn)運(yùn)行方法

根據(jù)電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的運(yùn)行情況來(lái)看，常見(jiàn)的運(yùn)行方法有變頻法、阻抗變換法、串聯(lián)回路諧振法以及綜合法。不同的方法具有不同的特點(diǎn)，工作人員需要根據(jù)實(shí)際情況，采取科學(xué)合理的運(yùn)行方法，為電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。筆者根據(jù)自身多年工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)下述內(nèi)容詳細(xì)論述了有關(guān)電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的常見(jiàn)運(yùn)行方法。

6.1 變頻法

在電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，傳輸功率與傳輸效率本質(zhì)上是關(guān)于頻率的單調(diào)遞增函數(shù)。在電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)過(guò)程中，傳輸功率、傳輸效率會(huì)隨著傳輸頻率增大而升高。因此，想要提高系統(tǒng)的傳輸功率以及傳輸效率，可以通過(guò)提高傳輸頻率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。

6.2 阻抗變換法

阻抗變換法指在電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，利用變壓器原理增加、降低阻抗的一門技術(shù)。根據(jù)阻抗變換法的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，該技術(shù)既能夠增加電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的輸入、輸出阻抗，又能夠降低電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的輸入、輸出阻抗[10]。該技術(shù)目前在我國(guó)高壓電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛，主要應(yīng)用于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以及功率放大器中?？偟膩?lái)說(shuō)，阻抗變換法在相同傳輸頻率下，線圈匝數(shù)的增多可能會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率與傳輸功率。不過(guò)在此過(guò)程中需要注意的是，較多的線圈匝數(shù)在一定程度上會(huì)增加變壓器的體積，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器結(jié)構(gòu)內(nèi)的損耗不斷增加，因此要合理設(shè)計(jì)線圈匝數(shù)，避免對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響[11]。

6.3 串聯(lián)回路諧振法

串聯(lián)回路諧振法指在電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)當(dāng)中，加入一個(gè)電感裝置，使該電感裝置與電容裝置構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振電路。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，諧振頻率與傳輸頻率相同時(shí)，串聯(lián)電路會(huì)呈現(xiàn)出純阻性，整個(gè)系統(tǒng)的阻抗會(huì)非常小，進(jìn)而有效提高電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸效率與傳輸功率，為電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[12]。在此過(guò)程中需要注意的是，在傳輸頻率為諧振頻率時(shí)，等效電容也隨著系統(tǒng)中極板的改變而改變，諧振頻率在此情況下也會(huì)發(fā)生改變。因?yàn)檎麄€(gè)電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的電容較小，在較低頻帶上諧振發(fā)生對(duì)電感值的要求較大，因此單純應(yīng)用串聯(lián)諧振可能無(wú)法滿足電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需求。

6.4 綜合法

綜合法便是將文中上述所有方法結(jié)合起來(lái)，一來(lái)能夠有效吸收各種方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能有效規(guī)避各種方法的缺點(diǎn)，提高電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低系統(tǒng)的整體質(zhì)量與體積，促使系統(tǒng)實(shí)用性不斷提高。根據(jù)綜合法在電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的應(yīng)用情況來(lái)看，與變頻法相比，該方法的傳輸頻率更低;與阻抗變換法相比，該方法的變壓器系統(tǒng)更小;與串聯(lián)回路諧振法相比，該方法的串聯(lián)電感值更小，但是通頻帶更寬。因此工作人員可以結(jié)合電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境等情況，合理采用綜合法來(lái)提高電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的實(shí)用性，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)當(dāng)前我國(guó)無(wú)線供電技術(shù)的研究情況來(lái)看，電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)身為常見(jiàn)的無(wú)線供電技術(shù)類型，對(duì)于無(wú)線供電領(lǐng)域的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，常見(jiàn)的應(yīng)用方法為變頻法、阻抗變換法、串聯(lián)回路諧振法以及綜合法，工作人員需要根據(jù)電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，合理選擇應(yīng)用方法，確保電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：陳之曦）

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