應用于無尾家電的非接觸式無線能量傳輸技術

張劍韜 朱春波 陳清泉

（哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

1 引言

自2007年美國麻省理工學院Soljacic教授及其團隊實現2m外點亮60W燈泡[1]，無線能量傳輸技術受到越來越多的關注。無線能量傳輸技術舍棄傳統的線纜傳輸方式，解決了接口插拔所導致的電火花及接口老化等問題，同時更易實現自動化[2]。隨著智能家電的普及，將無線能量傳輸技術應用于現代家庭生活中具有諸多優點，如實現家電無尾化使居家生活更加整潔；避免插拔線纜所引起觸電及火花危險；以及實現智能家電自動化操作。

本文應用磁耦合諧振技術[3-5]，能量發射端采用平板磁心結構，提高了系統整體耦合系數，降低了系統工作頻率，同時具有磁屏蔽作用，減少了無線裝置對周圍其他電子產品的影響。而安裝于家電產品中的能量接收線圈，采用無磁心線圈結構，不僅減小了系統體積和重量，同時提高了系統的可靠性和實用性。針對家電無線供能過程中存在發射裝置與接收裝置不對稱的問題，本文采用能量發射裝置大、接收裝置小的新型系統，不僅解決了空間錯位問題，同時保證了系統的充電效率。

2 系統整體結構

本文設計的系統框圖如圖1所示，其中電源部分采用直流電源（0～400V可調），逆變器采用高頻H橋式逆變電路，能量發射端包括平板磁心、諧振線圈和諧振電容，能量接收端包括諧振線圈和諧振電容，負載為普通家用電飯煲的加熱盤。

圖1 無尾家電系統框圖Fig.1 The system diagram of a tail-free household appliance

本系統中能量發射端和能量接收端之間距離可調，針對三段不同距離進行了實驗研究，且針對接收端線圈錯位問題進行相關實驗。實驗系統采用定頻控制方式，針對60mm系統進行諧振參數設計。

3 系統工作原理

本文采用串聯-并聯諧振電路結構，如圖 2所示。圖中，U1為電壓源；L1、C1為能量發射端諧振電感及諧振電容；r1為能量發射線圈內阻；L2、C2為能量接收端諧振電感及諧振電容；r2為能量接收線圈內阻；Rl為系統負載。根據系統模型，列寫系統KVL方程[6,7]如下：

圖2 系統耦合諧振電路圖Fig.2 The circuit diagram of a coupling resonant system

根據系統電路，列寫電流方程如下：

由式（2），獲得電壓方程如下：

根據式（2）和式（3），可解得二次側電路耦合至一次側電路的等效負載Req為

耦合系數公式為

由于系統線圈采用Litz線，即多股李茲線，線徑內阻非常小，r2→0，可忽略。式（6）簡化為

若式（7）中僅Rl變化，即系統其他參量不變，負載變化，隨著負載Rl阻值增加，系統等效負載Rtol也隨之增加?？筛鶕摻Y論合理選擇系統負載，進行參數匹配。

4 系統仿真模型

針對系統結構進行三維空間電磁場仿真，建立模型如圖3所示。其中圖3a表示在傳輸距離60mm處能量發射線圈無磁心情況下，系統接收線圈水平側移時空間耦合系數變化曲線；而圖3b表示當發射線圈表面下安裝平板磁心情況，系統接收線圈水平側移時空間耦合系數變化曲線。

圖3 有無平板磁心對系統耦合系數影響對比Fig.3 The comparison result of different coupling coefficients with or without a plane-shaped core

由仿真結果得出，系統有平板磁心情況中心點耦合系數（約0.14）明顯高于無磁心情況（約0.02），耦合系數提高可降低系統工作頻率，減少開關損耗，提高系統工作效率；同時，可降低系統對周圍電子產品產生電磁干擾，加入平板磁心對系統磁屏蔽也起到一定作用。

5 實驗結果與分析

為驗證本文系統設計方法，搭建了無尾家電實驗平臺，平臺主要包括直流電源、系統控制器、高頻逆變器、能量發射線圈、能量接收線圈、阻性負載等。其中，直流電源電壓調節范圍為 0～400V；系統控制器，可實現 PWM輸出；能量發射線圈表面下鋪有平板磁心。

如圖4所示，能量發射線圈與能量接收線圈垂直高度可調，本文在60mm、100mm、150mm三種垂直距離下進行了實驗。能量接收線圈側移范圍為0～150mm，即接收線圈可在發射線圈表面隨意移動。同時系統負載采用電飯煲的發熱盤，并為阻值固定的阻性負載。系統采用定頻工作方式，設計參數時以 60mm諧振參數為基準，系統工作頻率為57.5kHz。

圖4 實驗裝置圖Fig.4 The device for experiments

通過實驗，得到三種垂直距離下、不同側移的耦合系數分布曲線如圖5所示，曲線與仿真結果一致：

（1）當接收線圈與發射線圈中心對稱時，三種距離情況下的耦合系數均達到最大值。

（2）垂直距離60～100mm之間，水平側移在100mm范圍內時耦合系數基本不變，水平側移大于100cm后呈下降趨勢。

（3）垂直距離150mm時，隨著水平側移增加，耦合系數呈線性下降。

圖5 系統耦合系數曲線Fig.5 Curves of coupling coefficient

由此可知，在一定垂直距離內，由于接收線圈小于發射線圈，在一定側移范圍內，負載不變情況下，耦合系數基本不變，即系統等效負載不發生改變，系統諧振頻率不變，系統魯棒特性好。

如表所示，系統工作頻率為 57.5kHz，當系統直流電源輸入308V時，垂直距離為60mm，系統耦合系數0.157，其中系統加熱盤負載為70Ω，發射線圈采用矩形結構，接收線圈為圓盤形結構。

本系統實驗平臺主要針對三個垂直距離進行實驗研究，其中系統工作頻率恒定為 57.5kHz，負載恒定為70Ω。隨直流輸入電源電壓升高，系統中心點及橫軸側移50mm、100mm情況下系統輸出功率變化曲線和系統效率變化曲線如圖6所示。

表 系統平臺設計參數Tab. Parameters for the systtem platform

圖6 系統實驗數據曲線Fig.6 Curves of data based on the experiments

由圖6a可知，根據圖4所示耦合系數曲線，垂直距離為 60mm，側移距離在-100～100mm之間時，系統耦合系數基本不變，即系統等效負載不變，系統諧振頻率不變；相同電壓下，系統輸出功率恒定不變，系統效率不變；當系統升壓到300V時，系統輸出700W，系統傳輸效率約為80%。

由圖6b可知，根據圖4所示耦合系數曲線，垂直距離內為100mm，側移距離在-50～50mm之間時，系統耦合系數基本不變；側移距離達到100mm時，耦合系數略有下降。實驗曲線表明在相同頻率、相同負載情況下，側移距離在一定范圍內時，輸出功率基本相同，輸出效率略有下降；側移距離變大后導致系統耦合系數下降，系統等效負載減小，系統輸出功率降低。

6 結論

本文針對無線供能的無尾家電實現問題，設計了一種基于平板磁心磁耦合諧振式無線能量傳輸系統，建立了系統數學模型，分析了耦合系數與等效負載之間的關系。針對系統有無平板磁心結構對系統耦合系數的影響進行了三維電磁場仿真分析比較，并通過實驗平臺驗證了理論分析與仿真結果，能量接收線圈可在一定范圍內保持恒功率、恒效率輸出，具有強魯棒特性。在60mm、100mm、150mm三種垂直距離下，對系統輸出功率及效率進行分析對比，系統輸出功率可達700W，系統傳輸效率可達 80%。結合理論分析及實驗結果，得到以下結論：

（1）采用平板磁心結構系統，當垂直距離在一定范圍內且側移距離在一定范圍內時，系統耦合系數保持不變，固定系統工作頻率可保持系統輸出功率及效率恒定。

（2）采用發射線圈與接收線圈尺寸不一致的結構可提高系統魯棒性，在保證輸出功率及輸出效率的同時實現了大面積無線能量傳輸。

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