【摘 要】
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针对穿戴设备结构小巧且很难承载大容量电池导致续航时间较短的能源供应问题及穿戴设备尺寸小巧、具有柔性、活动自由等多项需求,本文面向6.78 MHz工作频率的穿戴设备,分析影响非对称无线电能传输系统接收功率、传输效率、传输距离的主要因素,通过有限元仿真,确定耦合线圈最优结构,最后通过对比实验证明优化线圈可提升系统传输特性并具有一定的抗弯折和抗偏移性。建立的非对称系统等效电路模型及传输性能表达式,研究频
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针对穿戴设备结构小巧且很难承载大容量电池导致续航时间较短的能源供应问题及穿戴设备尺寸小巧、具有柔性、活动自由等多项需求,本文面向6.78 MHz工作频率的穿戴设备,分析影响非对称无线电能传输系统接收功率、传输效率、传输距离的主要因素,通过有限元仿真,确定耦合线圈最优结构,最后通过对比实验证明优化线圈可提升系统传输特性并具有一定的抗弯折和抗偏移性。建立的非对称系统等效电路模型及传输性能表达式,研究频率、互感、线圈等效参数对系统传输效率、接收功率、传输距离的影响;结合互感、耦合系数与传输距离的关系,以临界耦合状态为切入点,得到传输距离与互感的关系;再根据高频线圈的等效模型计算线圈等效参数,建立最优传输距离与耦合线圈结构参数的表达式,通过优化耦合线圈结构提升传输距离。在限定线圈尺寸的约束下,分别以发射和接收线圈的半径、匝数、匝间距为变量,以品质因数大小为衡量线圈优劣指标,结合系统联合仿真,确定传输特性较好时最优线圈结构参数。对松耦合远距离下的传输系统进行阻抗匹配仿真电路设计:通过L形阻抗补偿电路,提高接收功率并且保持较高的传输效率。制作可穿戴的柔性接收线圈进行系统谐振匹配,并比较优化前后线圈的传输特性,在发射侧输入功率1.3 W、输入电压22 V、接收侧负载300Ω的实验条件下,接收线圈尺寸为内径5 cm、外径17 cm、17匝时可在5.4 MHz处的最大输出功率为67.76 m W,其传输距离为25 cm;当接收线圈外径尺寸约束为10 cm时,优化后柔性接收线圈最大输出功率为61.8 m W、输出功率大于10 m W对应的距离范围为0～12 cm,分别是未优化线圈的3倍和2.6倍。同现有尺寸相近的非对称柔性WPT系统相比,最大输出功率提升1.5倍,传输距离最大提升0.6倍。线圈曲率越大,输出功率越小且传输的距离越近;优化线圈可在发射线圈半径20 cm范围内进行移动,且其传输特性变化幅度不大,半径为10 cm的接收线圈横向偏移范围为±5 cm,说明系统具有一定的移动性。在提高系统的工作频率的基础上,线圈结构的优化能提高系统传输特性和传输距离,并具有一定的抗弯折和抗偏移性。所以通过提升频率、优化线圈结构参数的方法可提升系统传输性能及传输距离。
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