三线圈无线电能传输系统传输特性的研究张淑美李媛程泽摘要：针对三线圈无线电能传输系统中继线圈的位置对系统的输出功率和传输效率等传输特性的影响问题展开研究，设计一种采用DC-DC转换电路的传输策略，使得整个系统能在中继线圈的摆放位置不发生改变的情况下，通过调整负载的等效阻抗，将传输效率维持在一个较高的水平.实验结果表明，该传输策略不仅适用于中继线圈固定、负载阻值改变的情况，在负载保持不变而中继线圈位置产生变化时依旧能保持较高的传输效率.关键词：无线电能传输;线圈分析;磁耦合谐振;DC-DC转换：TM55文献标志码：AResearchonTransmissionCharacteristicsofThree-coilWirelessPowerTransmissionSystemZHANGShumei，LIYuan，CHENGZe（SchoolofElectricalandInformationEngineering，Tian激nUniversity，Tian激n300072，China）Abstract：Thisworkanalyzedtheinfluenceofthepositionofrelaycoilontheoutputpowerandtransmissionefficiencyinthethree-coilwirelesspowertransmissionsystem.AtransmissionstrategyusingaDC-DCconversioncircuitwasdesignedtomaintainthetransmissionefficiencyatahighlevelbyadjustingequivalentimpedanceofloadwithoutchangingtheplacementoftherelaycoil.Theexperimentsshowthattheproposedtransmissionstrategyisnotonlysuitableforthesituationwheretherelaycoilisfixedandloadresistanceischanged，butalsocanmaintainhightransmissionefficiencywhentheloadremainsthesamebutthepositionoftherelaycoilchanges.Keywords：wirelesspowertransfer;coilanalysis;magneticcouplingresonance;DC-DCconverter無线电能传输技术[1-2]，经过长期发展，衍生出了多种多样的电能传输形式[3-7].在传统无线电能传输系统的基础上，有学者提出增加一个谐振线圈的新型三线圈结构可以延长无线电能的传输距离[8]，但未对增加线圈后系统的效率影响进行讨论.在此基础上，Kim等[9]对三线圈系统进行了效率分析，发现适当使用中继线圈可以提高系统效率.为了进一步提高效率，有学者提出将磁芯放置在中继线圈与接收线圈之间的解决方案，通过仿真分析发现在三线圈结构中加入平板磁芯对增加传输距离与提高传输效率有明显效果[10].文献[11]发现，通过对三线圈结构参数的设计，可以使系统在更大的负荷范围内获得更高的效率，然而该研究忽略了线圈间的耦合效应和工作频率变化的情况.还有研究聚焦于对三线圈结构系统的耦合情况，总结出临界耦合条件及最大功率传输条件，提出了一种改变谐振频率的三线圈系统设计方法[12].然而上述文献仅集中在通过引入中继线圈来改善无线电能传输系统的性能，对于中继线圈的具体摆放位置及其对系统的传输功率、传输效率的影响却鲜有分析[13-17].截至目前，大多数的三线圈结构默认将中继线圈放在发射线圈和接收线圈的正对位置，使整个系统的耦合达到一个较优值[18-22].但是，对于：1）是否正中间就是中继线圈的最佳位置;2）中继线圈对于系统的传输特性影响是否一致;3）系统的功率与效率是否只与中继线圈的位置有关等问题，并未得到系统的分析和理论验证.本文基于三线圈结构的无线电能传输系统展开研究，首先对系统进行了数学建模，得到中继线圈位置的改变对于系统传输特性的影响，并从数值仿真、磁场仿真、实验证明三个方面进行分析讨论，总结出中继线圈处于不同位置时系统传输特性的变化情况，并在考虑实际的基础上设计了一种改进的三线圈谐振系统，使其能在负载发生变化时，保持较高的传输功率和传输效率.1三线圈结构的无线电能传输系统如图1所示，三线圈结构的无线电能传输系统的组成部分包括：发射线圈、中继线圈、接收线圈、逆变模块以及整流模块等.该系统可将直流电逆变后变为高频交流电，然后通过发射线圈将电能以谐振耦合的方式传送到中继线圈，再通过中继线圈转送到接收线圈，进而为负载提供电能.其中，发射线圈与中继线圈之间的距离记作d1，中继线圈与接收线圈之间的距离记作d2，而发射线圈与接收线圈之间的距离则记为d3.设三个回路中的总阻抗分别记为Z1，Z2，Z3，电源的工作角频率为ω，则它们的值可以用以下等式表...