無(wú)線電能傳輸

曾蓉 翟月英 何一芥

【摘要】 無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transmission）是借助于電磁場(chǎng)或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)。本論文主要利用線圈共振原理實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸，由電生磁和磁生電兩部分組成，實(shí)現(xiàn)了能量的最大化傳輸，高效率，以及長(zhǎng)距離。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線 電能傳輸 線圈共振

無(wú)線電能傳輸是利用一種特殊設(shè)備將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔁o(wú)限傳播的能量，在接收端又將此能量轉(zhuǎn)變回電能，從而達(dá)到對(duì)用電器的無(wú)線供電。根據(jù)電能傳輸原理，目前無(wú)線電能傳輸分為：電磁感應(yīng)式，電磁共振式，電磁輻射式。本文討論電磁共振式的原理，采用兩個(gè)完全相同的8匝直徑為2mm銅芯線圈充當(dāng)共振器，一個(gè)線圈與電源相連作為發(fā)射器；另一個(gè)與LED燈相連，充當(dāng)接收器，在保持LED燈不滅的條件下，發(fā)射線圈與接收線圈間距離最大可到54cm，效率達(dá)50.1%。

一、無(wú)線電能傳輸組成

本系統(tǒng)為無(wú)線電能傳輸也叫非接觸輸電技術(shù)，是基于線圈的電磁感應(yīng)原理。總體由驅(qū)動(dòng)電路、LC諧振電路、整流電路、濾波電路等組成如圖1。

1.1 LC并聯(lián)諧振原理

把一個(gè)電容C和電感L以并聯(lián)的形式接入電路，LC并聯(lián)電路能夠起到選頻的作用。基本原理是，LC并聯(lián)電路對(duì)不同頻率的電流具有不同的阻抗特性，從而在回路的輸出端輸出大小不同的電壓。所謂并聯(lián)諧振即是外來信號(hào)的頻率W與LC并聯(lián)回路的固有頻率W0（與LC的值有關(guān)）相同時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象。

并聯(lián)諧振回路的諧振條件：

即可得諧振回路的諧振頻率：

1.2整流濾波電路分析

整流電路主要是將正弦交流通過二極管形成整流橋，將正弦交流的下半部分也變成上半部分，高頻肖特基整流二極管1N5817適合在高頻時(shí)使用，但具有一定的導(dǎo)通內(nèi)阻，而電路中會(huì)因?yàn)槎O管的內(nèi)阻（二極管內(nèi)阻就相當(dāng)于電源內(nèi)阻）與負(fù)載分壓，導(dǎo)致帶負(fù)載能力下降，在電路中就多用了幾個(gè)二極管并聯(lián)的整流橋，使內(nèi)阻減小，提高效率。為了達(dá)到效率最大向負(fù)載傳輸，濾波電路就只用了一個(gè)100nf的電容。

1.3傳輸效率分析

為了提高傳輸效率，使接收線圈盡可能接收發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁能，根據(jù)諧振頻率計(jì)算公式：f=，當(dāng)前級(jí)線圈與后級(jí)線圈產(chǎn)生諧振時(shí)，能量能達(dá)到最高效率的傳輸，通過調(diào)節(jié)電容和電感的大小使前級(jí)諧振電路與后級(jí)接收電路共振，從而達(dá)到最大傳輸率。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件電路主要由發(fā)射電路和接收電路組成。

1、發(fā)射電路。發(fā)射電路由LC振蕩電路和發(fā)射電路組成，其中通過電阻的串聯(lián)為MOS管提供開啟電壓，以及給LC振蕩電路蕩出的正弦電壓一個(gè)直流抬壓；在LC振蕩的基礎(chǔ)上我們采用兩個(gè)電感值為300uH的電感進(jìn)行交流和直流分割，在測(cè)試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)240Ω電阻發(fā)燙，根據(jù)實(shí)驗(yàn)與理論分析，在交流回路中，240Ω與22KΩ并聯(lián)，所以電流分流較大。改進(jìn)的措施是采用4個(gè)240Ω先串后并，達(dá)到分流效果，使流過每個(gè)電阻的電流減小，發(fā)熱減小，用4個(gè)電阻后散熱面積也變大了。LC諧振須與后級(jí)匹配，在實(shí)驗(yàn)中要慢慢調(diào)試。

2、接收電路。接收端要求輸入直流電流，而接收線圈與電容諧振后得到高頻的交流電流，因此必須整流，得到直流電流。又因?yàn)殡娏魇歉哳l的，器件做熱功容易損耗電能，因此需要并入六個(gè)小電容濾波，減少損耗。

該無(wú)線電能傳輸裝置的效率η： （U1為輸入電壓，U2為輸出電壓，I1為輸入電流，I2為輸出電流）

三、測(cè)試結(jié)果分析

在輸入電壓為15V， 輸入直流電流不大于1A，效率可達(dá)50.1%，負(fù)載為2只串聯(lián)的1W的LED燈，保證燈不滅條件下的收發(fā)線圈距離測(cè)試結(jié)果如表1所示：

測(cè)試結(jié)果可以看出在保持LED燈不滅的條件下，發(fā)射線圈與接收線圈間距離最大為54cm。

作者簡(jiǎn)介：

曾蓉（1983--），女，漢族，湖北咸寧人，碩士學(xué)歷，武大珞珈學(xué)院講師，研究方向：電子信息

翟月英（1983-），女，漢族，湖北武穴人，碩士學(xué)歷，武漢大學(xué)珞珈學(xué)院講師，研究方向：電子信息

何一芥（1984--）女，漢族，湖北，碩士，武漢大學(xué)珞珈學(xué)院講師，研究方向：電信工程

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 白明俠，黃昭. 無(wú)線電力傳輸?shù)臍v史發(fā)展及應(yīng)用[J]. 湘南學(xué)院學(xué)報(bào)，2010

[2] 武瑛，嚴(yán)陸光. 新型無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析[J]. 電工電能新技術(shù)，2003年04期

[3] 魯曉棟，聶一雄. 無(wú)接觸電力傳輸系統(tǒng)中耦合線圈的設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)，2009年04期