磁耦合諧振式無線充電系統研究

徐 杰，沈錦飛

(江南大學物聯網工程學院，江蘇無錫214122)

0 引言

目前的充電系統都是有線式，電源插頭在插拔過程中會摩擦產生電火花，影響插頭壽命，時間久了會造成接觸不良，從而影響電氣設備的安全可靠性。無線充電系統能克服傳統有線充電的弊端，且具有有效利用資源，污染小，良好的安全性、可靠性與靈活性等優勢。但無線充電仍存在的問題有，一是效率不高，主要原因是能量的控制比較困難，無法真正實現能量點對點的傳送，在傳輸的過程中會散射等損耗一部分能量，能量轉換器的效率不高;二是電磁輻射安全問題，高能量的能量密度對人身安全和周圍環境的影響需要解決。

本文設計的磁耦合諧振式無線充電系統基于電磁共振原理，采用兩個相同頻率的諧振電路，利用磁場通過近場傳輸，輻射小，具有方向性，中等距離傳輸，傳輸效率較高等特點。在磁耦合諧振式無線電能傳輸中，電磁場隨傳輸距離增加而迅速衰減，利用兩個發生諧振耦合的電路來捕捉隨距離衰減的電磁場，即當發射回路和接收回路發生諧振時，使大部分能量由發射回路傳遞到接收回路，大幅度地提高了傳輸效率。因此，利用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術實現無線充電，是一種效率高、電磁輻射相對較小的技術方案［1～3］。

1 磁耦合諧振式互感模型及等效電路

互感模型是一種描述原、副邊繞組電磁耦合關系的電路模型，該模型使用感應電壓和反應電壓的概念來描述變壓器原、副邊繞組的耦合關系［4］，如圖1所示。圖中L1、L2為變壓器原、副邊線圈的電感，R1、R2為變壓器原、副邊線圈電阻，C1、C2為變壓器原、副邊補償電容，RL為負載電阻。M為變壓器原副邊線圈的互感，ω為諧振角頻率。

圖1 變壓器互感模型

電路的網孔方程:

其中

解得變壓器原邊阻抗為

式中，Zr=ω2M2/Z22，為反映組抗。

副邊在沒有串聯補償之前，副邊折算到原邊的反應阻抗為

可以看出副邊折算到原邊的阻抗是容性的。當諧振時，反映阻抗虛部為零，實部Rr=ω2M2/R2+RL，即采用串聯補償后，副邊對原邊的反應阻抗是阻性的。變壓器原副邊回路諧振時，有Z11=R1，Z22=R2+RL，變壓器原邊和副邊等效電路如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2 磁耦合諧振式變壓器等效電路

2 磁耦合諧振式無線充電系統設計

系統總體框圖如圖3所示，主要分為主電路與控制電路兩部分。

圖3 總體框圖

主電路部分:單相輸入的交流電壓～U經全橋整流濾波電路轉換成穩定的直流電壓Ud1，再經全橋逆變電路輸出高頻交流電壓U1，在諧振電容C1和發射線圈L1組成的發射端串聯諧振電路中產生諧振電壓和諧振電流(即發射回路諧振電流i1);諧振電容C2和接收線圈L2組成接收端串聯諧振電路，接收端串聯諧振電路和發射端串聯諧振電路的諧振頻率相等(即ω1=ω2)，通過電磁耦合諧振產生接收回路輸出電壓U2和接收回路諧振電流i2，接收回路輸出電壓U2經高頻變壓器T1變換成和輸出充電電壓Uo對應的高頻電壓，經高頻整流濾波電路進行整流和濾波，輸出充電電壓Uo。

控制電路部分:接收端輸出的充電電壓和充電電流經電壓傳感器V2、電流傳感器A2通過接收端電壓電流檢測電路變換成1～5 V標準電壓(對應4～20 mA標準電流)，經單片機和無線通信模塊組成的接收端充電數據發送電路無線發射;再由單片機和無線通信模塊組成的發射端無線數據接收電路將接收到的充電電壓和充電電流數據傳送給PWM逆變控制電路;發射回路諧振電流通過電流傳感器A1、發射端電流檢測電路采集檢測后，變換成1～5 V標準交流方波電壓，經過鎖相環頻率跟蹤電路產生頻率跟蹤信號，送入PWM逆變控制電路;PWM逆變控制電路根據設定的充電電壓給定值Ug、充電電壓和充電電流檢測值和頻率跟蹤信號，產生對應頻率和脈沖寬度的PWM脈寬調制控制信號，經逆變驅動電路進行隔離和功率放大，輸出驅動脈沖Ug1～Ug4，控制全橋逆變電路中的開關管VT1～VT4。

3 磁耦合諧振式主電路設計與分析

耦合諧振式主電路拓撲如圖4所示。二極管Dl～D4構成輸入端的全橋整流電路，經大電容Cd1濾波，開關管VTl～VT4和反并聯二極管VDl～VD4構成全橋逆變電路，磁耦合的原邊諧振繞組接在逆變電路的對角線上，橋臂對角的開關管在PWM驅動信號作用下同時導通和截止，在原副邊繞組上形成方波脈沖電壓。副邊諧振繞組接高頻變壓器，后再經由快恢復二極管Drl～Dr4組成的全橋整流后輸出。

圖4 主電路圖

圖5 波形圖

磁耦合諧振式無線充電變換器的工作波形如圖5所示，它采用PWM 控制，VTl與 VT4同相工作，VT2與VT3同相工作，為防止上下橋臂直通短路，在上下橋臂驅動信號間保留一定的死區［6］，因開關頻率高于諧振頻率，故諧振回路呈感性，電流i1滯后于U1。

4 磁耦合諧振式無線充電系統實驗

為驗證理論分析的正確性，設計制作了一個4 kW的磁耦合諧振式無線充電平臺，頻率采用50～90 kHz自動跟蹤，逆變器功率管采用MOSFET。矩形線圈平均邊長0.285 m，線徑為0.1 mm共1 000股，截面積7.854 mm2，發射線圈和接收線圈均為20匝，線圈背面導磁體采用導磁片拼接組合，導磁體平面平均邊長0.4 m，諧振補償電容C1=C2=20 nF，發射線圈和接收線圈的距離從0.19 m逐步增加到0.375 m，傳輸功率最 大 3.92 kW，頻 率 74.5 kHz時，傳 輸 效 率 為95.04%。實驗記錄數據如表1。

表1中U1為發射端輸入電壓，I1為逆變器輸入端電流，U2為接收端輸出電壓，I2為接收端輸出電流，h為發射線圈和接收線圈的距離，單位為m，f為共振頻率，η%為逆變器直流輸入經傳輸線圈到輸出直流過程的效率。

圖6是輸入功率3.92 kW時發射端輸入電壓、電流和接收端輸出電壓、電流波形，諧振頻率為74.5 kHz。

圖6 輸入功率3.92 kW時磁耦合諧振系統電壓電流波形

由實驗波形可以看出全橋逆變器輸出電壓交變，近似方波電壓，發射端與輸出端的輸出電流近似正弦波，由于開關頻率大于諧振頻率，電路工作在感性負載狀態，因此發射端的電壓相位超前電流一個角度。

5 結論

本課題研究了一種磁耦合諧振式無線充電變換器，通過對磁耦合諧振式變壓器的原理及其數學模型進行分析，設計了電路拓撲結構，并給出了工作過程以及相對應的波形，通過原副邊諧振，電能傳輸的效率得以提高，并通過實驗平臺驗證了分析的正確性。當開關頻率略高于諧振頻率時，系統能獲得較高的效率，課題的分析結論為提高無線充電系統的功率傳輸效率以及系統參數優化提供了理論依據，具有一定的實際參考價值。

［1］謝文燕，陳琪瑯，陳 為.無線電能傳輸磁耦合系統綜述［J］.通信電源技術，2013，30(1):9-12.

［2］張茂春，王進華，石亞偉.無線電能傳輸技術綜述［J］.重慶工商大學學報，2009，26(4):485-488.

［3］劉修泉，李艷紅，黃 平.無線電能供給系統的設計與實驗研究［J］.科學技術與工程，2010，10(15):3589-3593.

［4］馬 皓，孫 軒.原副邊串聯補償的電壓型耦合電能傳輸系統設計［J］.中國電機工程學報，2010，30(15):48-52.

［5］楊民生，王耀南，歐陽紅林.無接觸電能傳輸系統的補償及性能分析［J］.電力自動化設備，2008，28(9):15-19.

［6］Jong-Jae Lee，Jung-Min Kwon，Eung-Ho Kim etc.Dual Series-ResonantActive-Clamp Converter［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(2):699-710.