最大限度地提高 WPT 空心双线圈系统配置的效率

无线电力传输 (WPT) 系统正变得越来越流行，在消费电子、医疗设备和电动汽车充电领域具有重要应用。在 WPT 系统设计涉及的不同方面中，最相关的方面之一是线圈耦合配置或架构。对于高频谐振 WPT 系统，通常使用两线圈和四线圈配置（无铁氧体）。然而，在中频 WPT 系统的情况下，铁氧体用于提高近场无线充电应用中的无线电力传输效率，从而增加了解决方案的重量和成本。最后，短程紧密耦合 WPT 系统通常不含铁氧体，从而以相当低的效率为代价实现降低成本和重量。线圈设计在 WPT 系统中发挥着重要作用，因为它影响多个方面，包括系统行为、效率、错位容限和工作频率带宽。 

本文分析和评估了短距离和紧密耦合 WPT 系统的不同 WPT 线圈配置，重点关注无线电力传输效率和轻量化设计，以减少 WPT 系统的整体质量。

线圈配置

图 1 显示了两种不同的双线圈配置的 3D 视图。传统的 WPT 线圈配置由两个相同的扁平螺旋线圈组成，它们很好地对齐并以大约零距离分开，如图 1a 所示。所呈现的交错螺旋 WPT (IH-WPT) 配置，如图 1b 所示，由一对带有同轴螺旋线圈的线圈组成，一个线圈插入另一个线圈，其直径稍大。由于两个线圈之间的气隙很小，因此即使在振动和冲击下也可以轻松对齐并保持对齐。最后，在另一个螺旋线圈内插入一个扁平螺旋线圈获得的配置如图 1c 所示。 

图 1：不同类型的 WPT 双线圈配置

为了提供更好的比较和评估，所有这些配置都在低于 1 MHz（30 kHz 至 1 MHz）的频率和短距离值下进行了评估，使用的线圈具有几乎相等的自感和直径值。为了获得 S 参数，使用了基于矢量网络分析仪 (VNA) 的实验装置（图 2）。 

图 2：基于 VNA 的实验装置

两线圈 WPS 系统的建模

由于双线圈 WPT 配置通常被设计和分析为单输入单输出系统，因此它们的模型可以简化为双端口网络模型。集总电路模型如图 3a 所示，其中 V S和 Z S分别是电压源和阻抗，而 C 1和 C 2是与无线线圈 L 1和 L 2串联放置的可选调谐电容器是两个线圈的自感，M 是两个线圈之间的互感。ESR 是等效串联电阻，由线圈 ESR 和调谐电容器的电阻之和给出。双端口网络模型如图 3b 所示，其中 WPT 系统由 S 参数矩阵表示。 

图 3：感应式 WPT 系统模型

通过适当的校准和系统设置，源阻抗、负载阻抗和标称特性阻抗之间的关系分别如下： 

Z s = Z l = Z 0 = 50 Ω 

端口 1 和 2 的入射波由下式给出： 

同样，端口 2 的反射波由下式给出： 

而参数S 21表示为： 

现在，通过将等式 1 和 3 代入等式 4，S 21参数可由下式获得： 

因为源阻抗 (Z s ) 和标称特性阻抗 (Z 0 ) 相同，所以可以使用由下式给出的最大功率传输概念获得 源的最大可用功率 (P ava )：

而负载功率由下式给出：

最后，WPT系统的效率可以得到如下： 

实验结果与比较

为了评估 WPT 系统的效率，可以使用散射参数 S 21并通过 VNA 进行测量。在图 1 所示的所有三种相关 WPT 线圈配置中，可以使用网络分析仪设备测量其值。不同线圈配置的功率传输效率随频率变化的曲线如图 4 所示。使用 IH-WPT 配置获得了结果，该配置实现了 70% 以上的峰值效率值，其次是平面到平面和螺旋配置中的平面。 

图 4：不同线圈配置的效率与频率的函数关系 

图 5 显示了传统扁平对配置的功率传输效率如何受未对准条件的影响，限制在 0 到 3 cm 的范围内。正如预期的那样，当未对准为空时获得峰值效率值，而效率随着未对准量的增加而降低。这三种配置的最高效率值是在 300 kHz 至 600 kHz 的频率范围内测得的。 

图 5：错位对功率传输效率的影响 

如图 4 和图 5 所示，传统的扁平螺旋线圈对配置在 490 kHz 的频率下实现了约 68% 的峰值效率值（没有铁氧体并且当线圈对对齐良好时）。然而，随着发射线圈和接收线圈之间的未对准增加，效率值迅速下降。IH-WPT 配置在 530 kHz 频率下的峰值效率值约为 72%。 

传统的硅基开关功率器件（例如功率 MOSFET、IGBT 和功率二极管）以及常见的逆变器和整流器电路配置（例如半桥和 H 桥逆变器和整流器）可以在此频率范围内有效运行，提供高功率传输效率值。 

由于其特殊和独特的几何形状，IH-WPT 配置提供了轻松实现和保持晶体管线圈和接收器线圈之间对齐的好处。图 1c 所示的配置，即放置在螺旋线圈内的扁平螺旋线圈，与其他两种配置相比，效率要低得多。 

总之，我们可以说，所提出的 IH-WPT 配置由一个螺旋线圈和另一个更大的螺旋线圈组成，与传统的扁平螺旋线圈对配置相比，具有两个主要优势。第一个优点是它提供了更高的无线电力传输效率值，而第二个优点是它可以轻松实现并保持晶体管线圈和接收器线圈之间的对齐。