二端口网络模型及其在 s/p 补偿 WPT 系统中的应用
2017-08-03 16:49:12
来源：电子变压器与电感网
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无线电能传输（Wireless Power Transmission, WPT）的原理实验，可以追溯到特斯拉于 1890 年的演示[1]。不过受限于当时的条件，实验未能深入。但是，特别是在最近的 10 几年，半导体技术以及电力电子技术的蓬勃发展，使得无线电能传输技术得到很大的发展，在人体植入医疗，手机充电器和电动汽车领域得到了应用。特别的，麻省理工学院 MIT 的科研小组于 2007 年，成功实现了点亮距离 2m 的 60W 电灯泡[2]，掀起了无线电能传输技术的研究的新纪元。
无线电能传输系统的典型结构组成如图 1 所示。根据能量耦合方式的不同，无线电能传输可以分为如图 2 所示的四种方式，即电磁辐射式[3]、电场耦合式[4][5]、磁场耦合式[6][7][8]和超声波[9][10][11]。
对于能量传输方式的模型建立，目前主要有耦合模模型[12][13]（12），互感模型[14][15]以及二/多端口网络模型[16][17]。文献[12]通过耦合模模型建立磁场耦合式 WPT 系统的高阶数学模型，研究得出不同工况下谐振角频率的变化规律；文献[14]利用互感模型，建立磁场耦合式 WPT 系统的等效电路模型，利用矩量法计算发射接收线圈的结构参数。文献[16]利用二端口网络对磁场耦合式 WPT 建模，并通过阻抗匹配技术，对 WPT 系统进行了优化。文献[18]则是比较了互感理论模型和耦合模理论的差异和相同点。
针对无线电能的传输距离，文献[15]提出了有效距离的概念，并给出了有效距离的影响因素以及相应的线圈优化措施。此外，为提高传输距离，文献[19]对带中继线圈的 WPT 系统进行了建模,分析了其谐振频率点，文献[20]进一步分析了中继线圈下，发射线圈和接受线圈的交叉耦合对系统的效率和功率传输的影响，给出了交叉耦合忽略的条件以及相应的补偿条件。
设计 WPT 系统，首先根据性能指标，进行初步的设计。然后需要对电压增益，传输功率，传输效率等指标进行测试，检验设计的合理性。常见的计算方式主要是利用电路模型及其元件参数进行仿真计算，来对WPT 系统的性能进行近似的估计。比如文献[21] 通过电路理论获得 S/P 结构 WPT 系统的模型，对于元件参数如谐振电感、谐振电容和互感值，采用理论数值计算方式对传输效率和传输功率等进行理论研究。理论分析和仿真计算的精确性依赖于电路模型或电磁场模型的精确度以及元件参数的准确性。
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无线电能传输系统的典型结构组成如图 1 所示。根据能量耦合方式的不同，无线电能传输可以分为如图 2 所示的四种方式，即电磁辐射式[3]、电场耦合式[4][5]、磁场耦合式[6][7][8]和超声波[9][10][11]。
对于能量传输方式的模型建立，目前主要有耦合模模型[12][13]（12），互感模型[14][15]以及二/多端口网络模型[16][17]。文献[12]通过耦合模模型建立磁场耦合式 WPT 系统的高阶数学模型，研究得出不同工况下谐振角频率的变化规律；文献[14]利用互感模型，建立磁场耦合式 WPT 系统的等效电路模型，利用矩量法计算发射接收线圈的结构参数。文献[16]利用二端口网络对磁场耦合式 WPT 建模，并通过阻抗匹配技术，对 WPT 系统进行了优化。文献[18]则是比较了互感理论模型和耦合模理论的差异和相同点。
针对无线电能的传输距离，文献[15]提出了有效距离的概念，并给出了有效距离的影响因素以及相应的线圈优化措施。此外，为提高传输距离，文献[19]对带中继线圈的 WPT 系统进行了建模,分析了其谐振频率点，文献[20]进一步分析了中继线圈下，发射线圈和接受线圈的交叉耦合对系统的效率和功率传输的影响，给出了交叉耦合忽略的条件以及相应的补偿条件。
设计 WPT 系统，首先根据性能指标，进行初步的设计。然后需要对电压增益，传输功率，传输效率等指标进行测试，检验设计的合理性。常见的计算方式主要是利用电路模型及其元件参数进行仿真计算，来对WPT 系统的性能进行近似的估计。比如文献[21] 通过电路理论获得 S/P 结构 WPT 系统的模型，对于元件参数如谐振电感、谐振电容和互感值，采用理论数值计算方式对传输效率和传输功率等进行理论研究。理论分析和仿真计算的精确性依赖于电路模型或电磁场模型的精确度以及元件参数的准确性。
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