基于ERPT無線供電系統的設計

程曉鋼,喬 鵬 ,王一霖,蘇成利,侯立剛

（遼寧石油化工大學 信 息與控制工程學院，遼寧 撫 順 1 13001）

隨著各類電器在生活中的普及，如何使電能安全穩定的傳輸引起了越來越多人的關注，傳統的電器設備都是通過插頭或插座等電連接器的接觸進行供電[1]。但是，這種傳輸方式由于接口處經常摩擦以及傳輸介質不可避免的老化，很容易產生火花與短路等問題，影響供電安全與可靠性，縮短電器設備的使用壽命。同時，差的電氣接觸連接會增加接觸電阻，造成高溫引起火災，電氣開關還會引起拉弧的危險[2]。因此，對無線供電技術的研究具有很重要是實際意義。

無線供電技術主要分為射頻供電技術、微波傳輸技術和電磁諧振技術。其中，射頻電能傳輸技術（RFPT）[3]主要通過放大器發射射頻信號，然后通過高頻整流得到直流供電，但是其缺點是傳輸功率小只有幾毫伏到100毫伏之間。微波電能傳輸（MPT）[4]將電能轉化為微波傳輸到目的位置再通過整流轉化為直流電能供電，雖然傳輸功率高但通過實踐證明會對人體產生傷害，因此應用范圍受到限制。電磁諧振電能傳輸技術（ERPT）[5]利用首發端的共振產生強耦合實現電能傳輸，即不會對人體產生大的傷害又能實現高功率傳輸。

本文通過分析選擇電磁諧振電能傳輸技術，根據電磁諧振原理設計了一種小型無線供電系統。對實驗中的無線供電系統建立效率模型，通過理論計算得到該方法的理論效率值，并與系統中的實際效率進行比較。通過實際系統與理論的比較得到該系統的設計合理，具有很強的理論與實際應用價值。

1 無線供電系統方案設計

1.1 理論分析

為了保證較高的電能傳輸效率以及較低的輻射傷害，本系統電磁諧振型電能夠傳輸技術，電磁共振原理如圖1所示。電磁諧振主要利用接收端與發射端的電磁頻率一致時產生的強耦合工作環境進行電能傳輸。

電磁共振的原理圖以及能量傳輸示意圖如1所示。

圖1 電磁共振原理圖Fig.1 Diagram of electromagnetic resonance

電磁耦合諧振能量傳輸的原理如圖2所示，在電磁共振的基礎之上，需要在強耦合的環境中進行中等功率的電能傳輸，圖2很好的說明了電磁諧振耦合是如何傳輸能量的[6]。

圖2 電磁耦合諧振能量傳輸示意圖Fig.2 Diagram of electromagnetic coupling resonance energy transfer

無線傳輸系統中的螺旋線圈的磁通量為

因此，可以得到線圈所產生的感生電動勢為：

即互感系數為：

這樣，就可得到該系統的輸入輸出功率，即輸入功率Pin輸出功率Pout如下

進一步分析就會得到供電系統的傳輸效率就等于輸出與輸入之比，因此供電系統的傳輸效率為

在強耦合環境中使用自諧振線圈，通過實驗驗證了非輻射功率傳輸，其傳輸距離能達到8倍的線圈半徑。在2 m多的距離內，能傳輸10 W左右的功率，效率在40%左右。我們建立了個有效的模型來描述這種電能傳輸，其結果與實驗誤差在5%以內。最后討論了基于ERPT的無線供電系統的傳輸距離與供電效率之間的關系。

1.2 系統方案及硬件設計

1.2.1 電源切換

本部分的設計特點是實現不斷電切換，對充電不產生影響。如圖3所示，交直流輸入采用單刀雙閘繼電器，交流上電時常開觸點閉合、常閉觸點打開實現交流優先。當交流繼電器斷電時，常閉觸點閉合進而實現電源的自動切換。

圖3 電源切換電路Fig.3 Switching power supply circuit

1.2.2 發射電路設計

發射電路由頻率發生器和諧振功率放大器兩部分組成如圖4所示，本系統由555定時器構成 4 2 kHZ的振蕩頻率信號發生器，為功放電路提供激勵信號，用LC并聯諧振回路構成諧振頻率放大器。振蕩線圈電感值約為142 μH的電感和100 pF的C8電容并聯構成，根據可知，可產生42 kHZ的振蕩頻率。并且用300 pF的固定電容并聯一個200 pF的可調電容，可方便調節諧振頻率。

圖4 發射端電路Fig.4 Transmitter circuit

當發射端電路中的功率放大器選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時，即滿足f選頻=f激勵時功率放大器將會發生諧振，此時線圈中的電壓和電流達到最大值，在回路中產生最大的交變電磁場。當接收線圈與發射線圈耦合時，在接收線圈回路中產生感生電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發射頻率相同時產生諧振，電壓達到最大值。如圖5所示，接收端通過線圈間的諧振進行電能的接收。實驗及理論證明，發射端與接收端線圈處于諧振狀態時，耦合程度最高，能量傳輸效果最好。

圖5 接收端諧振線圈Fig.5 Resonant coil of receiving end

1.2.3 接收及充電電路設計

如圖6所示，電能經過線圈L2接收后，并由快速二極1N4148整流電路進行全波整流，330 μF的電容濾掉高頻波，再用5.1 V穩壓二極管穩壓，輸出直流電為充電器提供較為穩定的工作電壓。

圖6 接收及充電回路電路Fig.6 Receivingand charging circuit

2 實驗結果與分析

采用無線供電的實物圖如圖7所示，通過實物圖我們可以看出，供電端電能可以通過無線傳輸的方式對用電端進行供電。發射端線圈通電同時對四個用電端線圈進行供電，調整4個用電端線圈的距離可以看到不同距離下的供電效果。最終得到的實物結果驗證了該設計的合理性以及實用性。

圖7 實物驗證Fig.7 Physical verification

本實驗通過固定發射端電源電壓為9.0 V，不斷改變發射端與接收端的距離，觀察接收端在正反行程下電壓的變化如圖8所示。

圖8 接收端正反行程電壓與距離關系Fig.8 Relationship receiving correct voltage and anti-stroke distance

由圖8可知接收端電壓在兩者間距離在0.2～1.2 cm范圍內呈線性趨勢衰減，在1.2～1.4 cm范圍內極速衰減到零，并且波動很大。由此可知該無線供電系統有一定的線性工作范圍，隨著兩者距離的增加達到一定額度后會快速波動衰減到零。

接下來討論該系統的功率問題，電能無線傳輸效率可以通過耦合等效模型來計算。線圈L的輸入功率為Pin及負載R上的輸出功率Pout可分別表示為由式（5）（6）表示得到兩線圈之間的傳輸效率為

通過上式計算當為Pin=10 W時，Pout約為4 W，傳輸效率的理論值約40%。

無線供電系統的實際傳輸效率測量如表1所示。

表1 電能傳輸效率數據Tab.1 Energy efficiency of data transmission

由表1可知，通過實際電路的測量數據得到的傳輸效率與理論值基本相當，表明該系統設計的合理性。

3 結論

本文根據實際需要，設計了一種小型的無線供電系統，采用電磁諧振電能傳輸技術（ERPT），實現了電能的高效無線傳輸。通過改變接收端與發送端的距離找出了該系統的適用距離，最后通過將傳輸效率的理論值與實際值進行比較驗證了該系統的實際供電效率，說明該系統有較強的實用性。

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