Page 25 - 《应该声学》2022年第2期

第 41 卷 第 2 期 宋哲超等： 声载波无线电能传输的自适应负载匹配 193

用电容滤波的全桥整流电路并没有电流控制能力，
0 引言 在声载波能量传输系统的应用中，会出现阻抗不匹

配的问题，导致最终的直流输出效率大幅度下降。
声载波无线电能传输技术是一种不受电磁屏
针对这一问题，本文改良了声载波无线电能传输系
蔽影响的无线电能传输技术，适用于金属容器内外
统中的交直流转换电路，使其具备一定的静态阻抗
的电能传输、水下电能传输、穿透生物体组织的电
匹配功能，进一步提高信道能量传输的效率 [9−12] 。
能传输等多种场景，弥补了基于电磁场耦合的无线
声载波无线电能传输系统的阻抗匹配工作，通
电能传输受电磁屏蔽影响而导致的效率低下甚至
常在搭建好的声 -电传能信道的硬件，并确定好传
无法传输的问题。2003 年，Hu 等 [1] 对声载波无线
输使用的声载波频率后进行。如果采用静态阻抗匹
电能传输进行了理论研究，建立了 “三明治” 结构的
配，收发端的匹配电路形式和元器件参数可以唯一
基本声 -电传能信道，并得到了电能传输效率的解
确定。但静态阻抗匹配难以适应各种复杂的负载
析解。
设备的驱动，会出现驱动能力差、供电效率低等问
为了使声载波无线电能传输能够从理论走向
题，限制了该系统的应用范围。为了让声载波无线
应用，后续的研究更多是针对声载波无线电能传输
电能传输系统在各种负载设备情况下都可以高效
的信道优化和系统化实现。信道优化的主要方法
稳定的运行，需要实现动态的阻抗匹配。在电力线
有两种：一是加入钳定装置来固定压电换能器以提
传输、压电超声探头的驱动等研究方向，研究者将
高传输能力。Bao 等 [2] 以及 Rezaie 等 [3] 均在声 -电
“建模 ——阻抗匹配分析” 的思路用于动态阻抗匹
传能信道中加入了 “预应力” 结构来固定压电换能
配的研究，建立阻抗与模型参数的关系并利用公式、
器，以实现大功率电能传输；特别是2017 年，Rezaie
史密斯圆图来进行动态阻抗匹配，而在不能明确得
等 [3] 使用换能器钳定装置进一步提高声 -电传能信
到阻抗与参数的关系时则直接使用优化算法进行
道的电能传输效率。二是在传输信道两端加入阻抗
动态阻抗匹配的计算 [13−14] 。研究结果表明动态阻
匹配电路以减小能量反射。2011 年，美国伦斯勒理
抗匹配可以有效提高能量传输效率，高效地驱动设
工学院团队研究了声 -电传能信道的阻抗匹配问题，
备。而将动态阻抗匹配与交直流转换电路相结合，
有效减小了传输过程中的能量损失 [4] 。近年来，研
设计具有动态阻抗匹配功能的交直流转换电路，是
究学者围绕系统的电路等效模型和更灵活的固定
相关研究领域的一大难点。
方式展开研究 [5−6] 。
本文建立了一种声载波无线电能传输系统的
考虑到实际生产和生活中的设备普遍需要直
模型，设计了具有动态阻抗匹配功能的交直流转换
流供电，在声载波无线电能传输的系统化实现中，大
电路，并对动态阻抗调节算法展开了研究，最后通过
多数研究团队都针对交直流转换电路展开研究，探
仿真测试分析了算法的收敛性，验证了该模型的有
究了如何高效地将声 -电传能信道中所传输的高频
效性。
交流电转换为直流电进行输出。国际上广泛使用的
方法，是在声载波无线电能传输信道的接收端加入 1 动态阻抗匹配的交直流转换电路
使用电容滤波的全桥整流电路 (Capacitor-filtered
diode full-bridge rectifier)，来实现交直流转换并驱 1.1 声载波无线电能传输系统中的能量反射和阻
动电阻器，构成声载波无线电能传输系统 [7−8] 。由 抗匹配
于声载波无线电能传输系统中的高频传输线路包 声载波无线电能传输系统的基本组成如图1 所
括了高频信号源到交直流转换电路，因此交直流转 示。系统使用超声频段的声载波信号穿透金属障碍
换电路的阻抗匹配也是系统优化中的关键一环。使 物进行电能传输，为满足这一要求，发射端的高频信

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图 1 声载波无线电能传输系统的基本组成
Fig. 1 Structure of ultrasonic wireless energy transmission system