基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸裝置設計*

朱俊杰，陳 程，李 智，李旻競

(中南林業科技大學 計算機與信息工程學院,湖南 長沙 410004)

隨著用電設備的增加，電線和插座也隨之大量制造和使用，造成大量物質和能源的消耗，導致環境污染。傳統電能傳輸采用有線傳輸方式,但在很多場合并不適用，如深海作業機器人、心臟起搏器、磁懸浮列車等[1-3]。電能無線傳輸一直是人類的夢想,國內外科學家在此領域進行了不斷的研究與探索。

目前，無線電能傳輸主要有三種方式[4-5]：(1)微波電能傳輸方式。該方式利用無線電波收發原理，通過對載波進行調制與解調實現傳輸電能，傳輸功率只能在幾毫瓦至一百毫瓦之間，應用范圍不大；(2)電磁感應無線電能傳輸方式。該方式利用變壓器原副邊耦合原理，通過交變電場和磁場傳輸電能，傳輸功率大、效率高，但距離很近,僅在1 cm內，目前已在軌道交通等方面應用；(3)諧振耦合電能無線傳輸方式,它是前兩種的綜合方式。該方式利用電路中電感電容諧振原理傳輸電能，理論上電能的傳輸功率、傳輸距離不受限制。

本文提出了一種基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸技術，并在此基礎上完成了對該裝置的研制。實驗表明，通過微處理器完成對環形電磁耦合陣列線圈與接收線圈耦合度的檢測，控制只對耦合度最高的線圈供電，使得用電設備無論處于何種方向，總有一個發送線圈與用電設備的接收線圈接近于全耦合，保證了電能傳輸的高效率。

1 諧振耦合模型

為了便于分析諧振耦合過程的發生，本文僅取一組發生諧振耦合的收發線圈LS與LD進行等效電路分析。由于功率發送設備采用的均為高頻信號發射[6]，所以收發線圈的寄生電阻和電容是不可忽視的，其等效模型如圖1所示。其中D表示收發線圈之間的距離，M表示收發線圈之間的互感系數。

圖1 諧振耦合模型

諧振耦合模型表示為：

只有當ZS=RS,且有ZD=RD+RW時，LS與LD線圈會同時發生自諧振，此時的電能傳輸效率η是最高的[6-7]，表達式為：

本文提出的基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸技術，在設計中加入了由多個發送線圈組成的電磁耦合陣列，再經控制系統搜索耦合程度最大的線圈,從而鎖定由該線圈獨立供電，使無線電能傳輸過程中的效率始終保持最高。

2 電磁耦合陣列定位

基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸裝置整體結構設計如圖2所示。通過微處理器控制電磁耦合陣列中每個線圈單獨供電并檢測供電電流，由微處理器搜索到耦合程度最大的線圈從而鎖定由該線圈獨立供電。接收線圈通過電磁感應接收能量,并通過橋式整流器給用電設備供電。電磁耦合陣列由多個發送線圈組成，其空間結構如圖3所示。

圖2 系統整體結構圖

微處理器完成數據采集與控制指令的發出，電磁耦合陣列與接收線圈之間形成電磁耦合，接收線圈通過橋式整流器將接收到的交流信號進行整流。A/D轉換器將整流后的直流電壓送入微處理器進行分析與處理，最后由微處理器送出控制指令。電磁耦合陣列電氣連接圖如圖4所示。

圖3 電磁耦合陣列空間排列圖

在整個系統中，能量的損耗主要包括線圈、開關損耗及電磁耦合過程中的磁泄漏。可以通過軟件控制合適的載波頻率和合適的死區時間來減小開關損耗，耦合損耗是系統能耗的主要部分，因為磁場傳輸介質中包括磁導率很低的空氣磁路段，造成感應效率較低[8]。本系統在電磁耦合陣列中輸入10 kHz～40 kHz的高頻信號傳輸磁場和發送能量。多個發送線圈采用水平的環形排列，使得任何用電設備在任何位置，朝任何方向，總有一個發送線圈與用電設備的接收線圈接近于全耦合。耦合陣列的每個線圈回路通過串聯一個1:50的變壓器對回路電流進行采樣，經整流及電容平緩后用CPLD檢測采樣耦合電壓來反映此線圈的發送功率，并輸出控制信號調整線圈關斷，從而使耦合效率達到最高。圖3所示的電磁耦合陣列可以為多個，不同的電磁耦合陣列按不同的高度設置，可增加用電設備獲取電能的靈活性，即用電設備在不同的高度和不同的方向，都能最大限度地獲取電能，提高了電能的利用效率。

3 系統的設計與實現

3.1 電能傳輸主回路

主電路如圖5所示，驅動電路將方波信號送入由發送線圈、MOS管Q4、電容C2及變壓器T1構成初級線圈，初級線圈把能量耦合發送給次級線圈，通過匝數比為 1：500的變壓器T1進行電壓放大，后經二極管D3，D4、D5及D6構成橋式整流電路整流和C3平滑，所獲得的直流電壓送至供電設備。驅動電路采用9V直流電源供電，當方波信號為高電平時，三極管Q1導通，Q1的VCE較小，以致三極管 Q2、Q3均截止。因此MOS管Q4的柵極處于高阻狀態(MOS管Q4處于截止狀態)，即電子開關不導通，發送線圈不能往外發送電能。方波為低電平時，三極管Q1截止，Q1的C極處為高電平，此時，三極管Q2、Q3均導通。因此MOS管Q4的柵極處于高電平，則MOS管Q4處于導通狀態，即電子開關導通，發送線圈往外發送電能。

圖5 主電路圖

3.2 電磁耦合陣列定位控制回路

控制電路選用如圖6所示的單片機與CPLD的控制方式。單片機完成控制與顯示功能，CPLD完成數據采集與分析。選用精度為8 bit、實時采樣頻率為5MS/s的AD7822芯片,對呈環形矩陣排列的原邊各線圈電流值進行采集。CPLD選用MAXII系列的EPM240芯片完成對A/D轉換后數據的存儲器分析,并將數據反饋給單片機。單片機采用AT89S52完成對環形電磁耦合陣列線圈與接收線圈耦合度的分析,只對耦合度最高的線圈供電，使得用電設備無論處于何方向，總有一個發送線圈與用電設備的接收線圈接近于全耦合，并顯示傳輸效率。

4 實驗結果

本系統通過頻率為32.89 kHz方波信號發送能量，在接收端加一個100 Ω假負載完成了無線電能傳輸裝置實驗結果的測量，其結果如表1所示。實驗結果驗證了基于電磁耦合陣列定位的無線電能傳輸方案的可行性，當接收端距離發射端4.5 cm時仍然能夠從發射端接收到20 mW的功率，電能傳輸效率很高。

表1 實驗結果

在設計過程中，CPLD能夠有效地鎖定發射陣列線圈，傳輸效率最大的線圈組合，可以發出最合適的載波頻率，進行功率傳輸。當發射線圈的電感量發生微小變化時，傳輸效率大大減小，而接收線圈的電感變化對傳輸效率影響并不明顯。在此基礎上，實驗結果證明，采用電磁感應陣列的方案，用電器無論在何方位都能以最大效率獲得發送端送來的電能，從而解決了耦合電能無線傳輸中，由于電磁場方向的不確定性導致耦合因子低下的問題。

[1]陳敏,周鄧燕,徐德鴻.注入高次諧波電流的磁懸浮列車非接觸供電方法[J].中國電機工程學報,2005,25(6):104-108.

[2]王路,陳敏,徐德鴻.磁懸浮列車非接觸緊急供電系統的工程化設計[J].中國電機工程學報,2007,27(18):67-70.

[3]武瑛,嚴陸光,徐善綱.運動設備無接觸供電系統耦合特性的研究[J].電工電能新技術,2005,24(3):5-8.

[4]魏紅兵,王進華,劉銳.電力系統中無線電能傳輸的技術分析[J].西南大學學報:自然科學版,2009,31(9):163-167.

[5]武瑛,嚴陸光,黃常綱.新型無接觸電能傳輸系統的性能分析[J].電工電能新技術,2003,22(4):10-13.

[6]傅文珍,張波.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計[J].中國電機工程學報,2009,29(18):21-29.

[7]周雯琪,馬皓,何湘寧.基于動態方程的電流源感應耦合電能傳輸電路的頻率分析[J].中國電機工程學報,2008,28(3):119-124.

[8]田野,張永祥,明廷濤，等.松耦合感應電源性能的影響因數分析[J].電工電能新技術,2006,25(1):73-76.