引言：无线电能传输是一种借助电磁场或者电磁波传输能量的一种技术方式，在当前的社会发展过程中，这一技术的应用不仅可以使能量传输摆脱电解质的束缚，还能减少输电系统配置所消耗的能源，降低系统的维护难度。现阶段，为进一步提升技术的实用性，应开展高功率密度无线电能传输技术的应用研究。

一、高功率密度无线电能传输系统设计意义

在当前的社会发展过程中，无线电能传输技术的应用是用电设备在应用过程中可以有效摆脱电缆、环境等因素的束缚，进一步提升了用电设备应用的灵活性与可靠性，近年来，随着无线电能传输技术的不断发展，无线电能传输技术已经被广泛应用于电动车、水下设备等用电设备当中。但是由于传统无线电能传输设备体积较大，在用电设备应用过程中，部分无线电能传输无法切实满足人们的实际需要，此时，应用合适的技术手段，缩小无线电能传输设备的体积成为了一项极为必要的工作。在当前的无线电能传输技术研究过程中，基于微波、激光的无线电能传输技术与感应式的无线电能传输技术研究较为深入，但是受基于微波、激光的无线电能传输技术存在对于传输方向较为敏感、传输效率不够高、对生物体危害性较大等缺陷，因此，人们对感应式无线电能传输技术的关注度不断提升。

现阶段，感应式无线电能传输技术主要分为三种，第一种是基于耦合变压器的磁感应耦合式无线电能传输技术，第二种是基于电场耦合的无线电能传输技术，第三种是磁耦合谐振式无线电能传输技术；其中由于磁耦合谐振式无线电能传输技术传输功率更大、工作效率更高、对生物体危害较小等优点，因此逐渐被应用到传输功率在几千瓦以下的用电场合当中，并且取得了良好的使用效果。但需要注意的是，在过去的磁耦合谐振式无线电能传输技术研究过程中，人们更多地将关注点放在了系统效率提升、补偿结构升级等方面，忽视了缩小设备体积的重要性，导致将这一技术应用到航天测试、植入式医疗设备等环节中时，系统无法切实满足人们的工作需要，这一情况的出现给无线电能传输技术的发展带来了一定的阻碍。对此，以磁耦合谐振式无线电能传输技术为基础，进行高功率密度无线电能传输技术的研发，缩小无线电能传输的体积，成为了一项极为必要的工作^[1]。

二、高功率密度无线电能传输系统设计方法

（一）系统整体结构

现阶段，为切实实现高功率密度无线电能传输系统的设计优化，本文主要以某款小型化磁耦合谐振式无线电能传输系统为基础，并且这款磁耦合谐振式无线电能传输系统的技术参数分别为：装置的直流输入电压为28V；装置的输出电压在24—31V之间；装置的额定负载电流为10A；装置发射端与接收端的尺寸均在130mm130mm80mm以下；装置的效率在75%以上。在实际应用过程中，该磁耦合谐振式无线电能传输系统的基本工作原理为，直流电源与逆变电路相连接，产生较高频率的突变电压，为使交变电流能够产生较强的交变磁场，需要在系统中添加补偿电路，使电路出现谐振效应。在电路发生谐振后，接收侧的电路同样也会发生同频谐振，交变磁场将转化为交变电流，保证能量的正常传输。同时，为了保证能量的恒压输出，还需要为磁耦合谐振式无线电能传输系统配备1级整流滤波电路与1级数模/模数转换稳压电路。在电路系统实际设计应用过程中，若装置功率等级达到了百瓦级，那么可以通过合理应用半桥逆变电路的方式，实现装置体积与零部件数量的缩减。

（二）系统的磁路设计

在对该款磁耦合谐振式无线电能传输系统进行设计优化的过程中，综合考虑装置的功率、散热、成本、电磁屏蔽性等因素后，可以在系统的磁路设计过程中合理应用平板型磁芯，并且应用Maxwell软件对平板型磁芯的形状参数以及磁芯的抗水平偏移效果进行仿真，从而选择最为合适的平板型磁芯。并且经过综合考量后可以了解到直径为130mm的圆形磁芯更适合该款磁耦合谐振式无线电能传输系统的优化。同时，对仿真情况进行调查分析后可以发现，由于磁芯对磁场的束缚相对较强，并且磁芯中心的磁场强度最强，受趋肤效应的影响，线圈在高频率的磁场中会产生较大的涡流损耗。现阶段，为进一步提升磁耦合谐振式无线电能传输系统的使用效率，强化其输出能力，在开展线圈缠绕工作时，应当使被缠绕的线圈尽量贴近磁芯的边缘，并且在磁芯中心位置预留孔洞。在对优化后的系统磁场进行软件仿真模拟后可以发现，此时磁芯磁场得到了有效的约束，磁力线可以从磁芯中心的孔洞穿过，并且中心磁力线密度较高，外部泄露的磁力线相对较少。需要注意的是，磁耦合谐振式无线电能传输系统在实际应用过程中可以利用补偿电路与线圈的漏感组成谐振网络，这一情况的出现使得系统整体呈阻性，此时可以通过对其进行误工补偿的方式，实现系统整体销量的提升。现阶段，较为常见的无功补偿方法包括串联补偿以及LCL、LCC、LCLC等复合网络拓扑补偿方式。由于上述复合拓扑网络补偿方式较为复杂，将其应用到磁耦合谐振式无线电能传输系统中，并不利于系统体积的缩小，因此，在该款磁耦合谐振式无线电能传输系统优化设计过程中，由于系统使用电源供电，那么系统的触及补偿拓扑结构可以为串联补偿方式，并且这一补偿方式的实际应用切实提升了系统整体的负载适应性，即便随着系统负载阻值的不断增加，系统仍能实现较大功率的输出。

（三）系统仿真

为进一步降低磁耦合谐振式无线电能传输系统优化的难度，提升其实用性与稳定性，在进行系统设计时，可以应用模数/数模变换器闭环控制策略，合理应用比积分微分控制算法，对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行调试，保证即便系统的负载在额定范围内，大范围变化时，系统的负载电压仍能稳定输出。

（四）系统试验

在完成磁耦合谐振式无线电能传输系统设计优化后，尽管该装置的体积有所减小，但为了切实了解该款装置的实际应用效果，需要对其进行应用试验。在试验过程中，为该款磁耦合谐振式无线电能传输系统提供28V的直流电源，逆变电路采用半桥逆变电路，控制器频率为55kHz，选择型号为IRF100P218的开关管。同时保证发射线圈与接收线圈型号的一致性，两者的磁芯材料均为铁氧体PC95，并且发射线圈的线圈电感为295.11H、线圈内阻为23.3nF、谐振电容为1.18；接收线圈的线圈电感为292.02H、线圈内阻为23.3nF、谐振电容为0.53，绕线外径为60mm、内径为6mm、初、次级线圈都用双层线圈缠绕，并且两者的匝数都为52匝。对该系统进行测定后发现，装置的体积符合指标要求，由于电路板与磁芯之间用铝屏蔽板进行了隔离，有效实现了磁场的屏蔽，降低了电路在工作过程中受磁场干扰的可能性。同时，对该系统的初、次级谐振波波形进行测定后可以发现，两者均为正弦波，并且两者的谐振电压与电流相位能够有效地进行匹配，因此，该系统的输出符合预期设计要求[2]。

结论：总而言之，随着科学技术的不断发展，应用无线电能传输系统的场景不断增加，为保证系统的体积、效率能够切实满足实际应用，对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行优化，设计合适的高功率密度无线电能传输系统，成为了一项极为必要的任务。

参考文献：

[1]李东,侯睿,刘威,等.高功率密度无线电能传输系统设计[J].电力电子技术,2019,53(10):99-101.

[2]刘姜涛,邓其军,陈晶,等.输入串联输出等效并联多逆变器驱动的高压大功率无线电能传输系统研究[J].电测与仪表,2020,57(5):67-75.