无线功率传输(WPT)入门指南：四种基础谐振拓扑仿真模型解析与实战

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无线功率传输（WPT）技术近年来在多个领域展现出巨大的应用潜力。对于新手来说，了解这项技术的基础原理和实现方法非常重要。让我们先看看 WPT 的几个典型应用场景：

电动汽车充电：无需物理接触即可为车辆充电，提升用户体验
医疗植入设备：为心脏起搏器等体内设备无线供电，避免频繁手术更换电池
消费电子：手机、耳机等设备的无线充电已成为标配
工业自动化：为旋转或移动部件提供无接触供电解决方案

在这些应用中，谐振式 WPT 因其传输距离适中、效率较高而备受青睐。接下来我们将重点介绍四种基础谐振拓扑的仿真实现。

谐振式 WPT 系统的核心在于选择合适的谐振拓扑。以下是四种基础拓扑的等效电路和特性对比：

串联谐振(SS)
最简单的谐振结构
谐振频率公式：$ω_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}$
适合恒压输出应用
并联谐振(SP)
与串联谐振对偶
谐振频率相同：$ω_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}$
适合恒流输出应用
LCL 谐振
在初级侧增加电感
提供电流源特性
公式：$Z_{in} = \frac{(ωL_1)^2}{R_L}$
LCC 谐振
在初级侧增加 LC 网络
可实现零相位角 (ZPA) 工作
公式：$ω_0 = \frac{1}{\sqrt{L_rC_r}}$

下面我们通过 MATLAB 来搭建这些谐振拓扑的仿真模型。以下是关键步骤：

耦合线圈建模

% 使用 PDE Toolbox 创建线圈模型
coil = createpde('electromagnetic','harmonic');
% 定义线圈几何参数
R1 = 0.1; % 内径(m)
R2 = 0.15; % 外径(m)
H = 0.02; % 高度(m)
% 设置材料属性
mur = 1; % 相对磁导率
sigma = 5.96e7; % 电导率(S/m)

效率计算函数

function eta = efficiencyCalc(Pin, Pout)
    % 计算传输效率
    % Pin: 输入功率
    % Pout: 输出功率
    eta = Pout/Pin;
end

参数扫描可视化

% 扫描频率范围
freq = linspace(80e3, 150e3, 100); % 80kHz-150kHz
eta_values = zeros(size(freq));

for i = 1:length(freq)
    % 设置当前频率
    % 运行仿真
    % 计算效率
    eta_values(i) = efficiencyCalc(Pin, Pout);
end

% 绘制效率曲线
figure;
plot(freq/1e3, eta_values*100, 'LineWidth', 2);
xlabel('Frequency (kHz)');
ylabel('Efficiency (%)');
title('Frequency vs Efficiency');
grid on;

在实际操作中，新手常会遇到以下问题：