無(wú)線(xiàn)電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)與分析

林柏林

【摘要】 無(wú)線(xiàn)電能傳輸是借助于電磁場(chǎng)或者電磁波進(jìn)行能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)。電能給人類(lèi)帶來(lái)巨大的發(fā)展和便利，然而錯(cuò)綜復(fù)雜的輸電線(xiàn)分布在生活的各個(gè)角落，既不美觀(guān)又不方便，因此人類(lèi)一直想要擺脫電線(xiàn)的束縛而能夠?qū)崿F(xiàn)電能無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膲?mèng)想。本文章介紹了無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)膸追N方式，并通過(guò)比較他們的利與弊，選擇最合適的方式，以追求最大的利益。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線(xiàn)電能 傳輸 諧振耦合 MRPT

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及論證

1.1 無(wú)線(xiàn)電能發(fā)射部分

發(fā)射電路作為無(wú)線(xiàn)電能傳輸傳輸系統(tǒng)中的重要組成部分該部分設(shè)計(jì)的好壞對(duì)總的傳輸功率也有著十分重要的影響。因此在給系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出一個(gè)高效的發(fā)射電路也是十分重要的一環(huán)。本設(shè)計(jì)使用門(mén)極諧振電路驅(qū)動(dòng)MOS管，其開(kāi)關(guān)速度快，屬于軟開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)較低信號(hào)，產(chǎn)生較高電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管，利于能量傳輸，效率高。

1.2 無(wú)線(xiàn)電能傳輸部分

采用兩個(gè)自諧振線(xiàn)圈。電感線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)和制作方法中我們了解到在高頻狀況下，線(xiàn)圈匝間電容和集膚效應(yīng)將會(huì)是導(dǎo)致電阻增加而造成Q值降低，在空心電感的設(shè)計(jì)上都是應(yīng)該考慮的。但這些因素恰恰是引起線(xiàn)圈諧振所必需的，在諧振耦合中好似加以利用的。另外提到有關(guān)線(xiàn)圈電感量計(jì)算公式中，都沒(méi)有關(guān)于線(xiàn)圈所用繞線(xiàn)直徑方面的內(nèi)容，這就表明了線(xiàn)圈的電感量與線(xiàn)徑無(wú)關(guān)。

但實(shí)際上，線(xiàn)徑大小雖然不影響線(xiàn)圈的電感量，卻對(duì)線(xiàn)圈性能有影響。也就是說(shuō)，線(xiàn)徑越細(xì)，線(xiàn)圈的等效串聯(lián)電阻就越大，Q值就越低，線(xiàn)圈性能就越差。

1.3 無(wú)線(xiàn)電能接收部分

無(wú)線(xiàn)電能的接受由三大部分組成，分別是整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。整流是為了方便接收線(xiàn)圈將高頻率的正弦交流電壓轉(zhuǎn)化成我們負(fù)載所需要的電壓。整流有半波整流和橋式整流。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較可知，橋式電流的效率以及對(duì)二極管的保護(hù)能力相對(duì)于其他方案要占優(yōu)勢(shì)一些。雖然整流可以將高頻的交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，但是輸出電壓會(huì)由很大的脈動(dòng)成分，這樣在給諧波進(jìn)行供電時(shí)會(huì)受到很大的諧波干擾，因?yàn)槲覀冞€需要濾波。

濾波分為有源濾波與無(wú)源濾波，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是給兩個(gè)LED燈供電，沒(méi)有太高要求，因此我們采用無(wú)源濾波。而無(wú)源濾波又分為電容濾波，電感濾波和復(fù)式濾波，但是電容濾波比較簡(jiǎn)單，因此采用無(wú)源濾波。在經(jīng)過(guò)了整流和濾波后，雖然高頻交流電變成了直流電并且消除了濾波干擾，但是輸出的電壓卻不穩(wěn)定，為了滿(mǎn)足要求，我們就需要添加穩(wěn)壓器件，把電壓控制在要求的電壓值。

1.4 顯示處理部分

為了便于觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采取單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶同時(shí)進(jìn)行A/D裝換。

二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1無(wú)線(xiàn)電能傳輸理論分析

在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是諧振耦合式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)。 在本實(shí)驗(yàn)中就是采用的兩個(gè)線(xiàn)圈，當(dāng)線(xiàn)圈中通交流電時(shí)，線(xiàn)圈周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電場(chǎng)，于是空間就會(huì)有一系列的電場(chǎng)和磁場(chǎng)效應(yīng)，能量從線(xiàn)圈上發(fā)射，變化的磁場(chǎng)與變化的電場(chǎng)一起向外輻射，就產(chǎn)生了電磁波，從而就可以達(dá)到無(wú)線(xiàn)傳遞能量的目的。

在此無(wú)線(xiàn)諧振耦合電路中，由于電磁耦合無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)闹C振頻率都在兆赫茲，而逆變電路的最高逆變頻率只在幾百K赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到諧振器的工作頻率，因此選用高頻振蕩電路作為信號(hào)源。另外在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)頻率一個(gè)很小的變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響都非常大，由于所涉及振蕩電路頻率可調(diào)的范圍有限，所以用八兆有源晶振搭建的信號(hào)源，通過(guò)門(mén)極諧振電路來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管，降低前級(jí)驅(qū)動(dòng)損耗，再驅(qū)動(dòng)后極E類(lèi)射頻放大電路。

2.2無(wú)線(xiàn)電能傳輸理論計(jì)算

松耦合變壓器模塊的主要作用就是將能量轉(zhuǎn)換后的高頻電源耦合到用戶(hù)端。松耦合部分（可分離式變壓器）是能量傳輸?shù)年P(guān)鍵。松耦合系統(tǒng)通過(guò)大間隔的耦合電感傳輸電能，所以產(chǎn)生很大的漏感，造成原邊電流很大部分通過(guò)耦合電感流回電源，因而效率較低。為了提高效率并減小設(shè)備體積，辦法是提高工作頻率并使其工作于諧振狀態(tài)，這時(shí)工作電流近似為正弦波形。設(shè)M為耦合裝置互感，LP和LS為初級(jí)、次級(jí)激勵(lì)電感，初級(jí)磁場(chǎng)發(fā)射的高頻載流線(xiàn)圈工作角頻率為w，電流有效值為iP，則松耦合系統(tǒng)次級(jí)電路接受線(xiàn)圈的開(kāi)路電壓為Voc：

相應(yīng)地，次級(jí)線(xiàn)圈的諾頓等效電流Isc為：

次級(jí)電路品質(zhì)因數(shù)為QS：

R為次級(jí)電路等效電阻。

無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)的能量傳輸能力，即次級(jí)線(xiàn)圈能夠獲得的最大功率Pm為：

其中，松耦合變壓模塊如圖1所示。

因此，增大系統(tǒng)能量傳輸能力的方法有：增大工作頻率f（w）、增加初級(jí)電流iP、增大互感M或減小次級(jí)自感LS、增大品質(zhì)因數(shù)QS。由于品質(zhì)因數(shù)不宜過(guò)大，因而有效系統(tǒng)傳輸能力的方法是增大工作角頻率w和初級(jí)電流iP。

能量調(diào)節(jié)模塊主要是調(diào)節(jié)電流，其主要作用是提高系統(tǒng)能量的傳輸能力，實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)采用多個(gè)電容串并聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償調(diào)控。

由于線(xiàn)圈拾取機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌間的距離總是處于一種隨機(jī)變化狀態(tài)，導(dǎo)致拾取線(xiàn)圈中的感生電動(dòng)勢(shì)幅值也不斷發(fā)生改變。因此，由其形成的電壓源不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，必須經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，才能以穩(wěn)恒電壓源的形式給負(fù)載提供穩(wěn)定、有效供電。同時(shí)為了改善負(fù)載性質(zhì)，使其在初級(jí)側(cè)的反射阻抗呈純阻性，提高系統(tǒng)的傳輸功率和效率，需在整流前加入一個(gè)功率補(bǔ)償電路。

三、電路設(shè)計(jì)圖

此電路主要是由發(fā)射裝置，傳輸裝置以及接收裝置所組成。主要有三大部分，分別是穩(wěn)壓模塊，射頻放大電路以及橋式整流電路，完成給兩只串聯(lián)LED燈供電。

3.1穩(wěn)壓模塊

線(xiàn)性穩(wěn)壓器7805能有效的將15V的電壓轉(zhuǎn)換為5V供其他模塊使用，且成本低廉，效果好。

3.2射頻放大電路

信號(hào)源通過(guò)74hc14對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流，然后通過(guò)門(mén)極諧振電路來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管，組成E類(lèi)射頻放大電路，進(jìn)行能量發(fā)送，其電路如圖2所示。

3.3橋式整流電路

橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。其中的變壓器起變壓的作用，二極管相當(dāng)于單向?qū)щ娮饔茫膫€(gè)二極管二二輪流導(dǎo)通與截止使波形完整，電路如圖3示。

四、測(cè)試方案及試驗(yàn)結(jié)果

功率（W）

距離（cm） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 理論數(shù)據(jù)

0 0.98 14.7

5 1.33 14.5

10 0.413 14.3

為了驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)和實(shí)際裝置測(cè)試值的正確性，同時(shí)也為了論證設(shè)計(jì)達(dá)到指標(biāo)要求，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。上為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表中可知理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)有一定差別，其主要原因：一部分是元器件參數(shù)存在的誤差，另一部分在高頻情況下，元器件會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部寄生電容，并且還要考慮導(dǎo)線(xiàn)的電感。并且射頻放大模塊本身效率不高導(dǎo)致與理論相差較大。

五、設(shè)計(jì)總結(jié)

本次設(shè)計(jì)，主要是實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)墓δ埽⑶乙_(dá)到一定的效率，整個(gè)過(guò)程中想過(guò)多種方案，最終確定為E類(lèi)射頻放大電路，但在調(diào)試過(guò)程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)差別較大，提高效率是今后努力的方向。