小功率磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置研究

周俊巍 吳軍基 張旭東 王萬純

（南京理工大學能源與動力工程學院 南京 210094）

1 引言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer）的研究歷史悠久，早在電網廣泛使用之前，就有大量關于無線電能傳輸的研究。在1983年的哥倫比亞世博會上，美國科學家尼古拉·特斯拉利用無線電能傳輸原理，在沒有任何導線連接的情況下點亮了燈泡[1]。基于全向天線（在信息通信中工作良好）的輻射模式不適合能量傳輸，大部分能量耗散在空間中。直接輻射模式中使用激光或者高度定向天線可以進行高效長距離（傳輸距離遠大于設備尺寸）能量傳輸，但是必須提供直線視野，如果是移動設備還要復雜的跟蹤系統。

隨著電子產品（筆記本電腦、手機、家用機器人等所有依賴化學儲能的設備）的快速發展，重新激起對電能無線傳輸的需求。但是我們面臨著和特斯拉迥然不同的挑戰：隨著電網的廣泛普及，即使在中距離范圍內（傳輸距離接近設備尺寸）電能也可以大量使用。因此提出基于非輻射模式（磁感應）的方法，但會受限于短距離（傳輸距離遠小于設備尺寸）或者低功率（mW 級別）[2-5]。

無磁芯感應耦合方法在射頻識別的供電中獲得使用，為了提高接收端電壓，一般在接收端并入電容構成在運行頻率點的諧振電路。2007年7 月，麻省理工的M.Soljacic 教授等人提出了在初級和次級側同時諧振耦合的方法[5]，首次提出低輻射損耗的電能無線傳輸，并實現了在2m 距離內以40%的效率傳輸60W 的電能，成功點亮白熾燈。國內對基于磁耦合諧振式無線電能傳輸也進行了一定的研究[7-8]。

磁耦合諧振式無線電能傳輸作為一種新型電能傳輸方式，其傳輸效率更高，更容易實現，因此在植入醫療器械，電動汽車，智能家居等領域得到了廣泛的應用。文獻[9]提出了適合與植入式醫療器械的無線電能傳輸結構，文獻[10]設計了一種用于生物移植的新型高效磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，傳輸效率高，耦合度強，同時生物相容性好，適合批量生產。目前關于電動汽車的無線供電技術也得到了廣泛的研究，并取得了顯著的成果[11,12]。智能家居近年逐漸被人們所關注，無線電能傳輸技術可在其中發揮重要作用，手機、筆記本電腦無線充電終端等產品相繼問世[13]。

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術相比于傳統無線電能傳輸方式有其突出的優勢，具有廣闊的應用前景。

本文將研究基于磁耦合諧振式無線電能傳輸方法，驗證該方法的可行性，并實現短距離12V/3W的LED 燈的供電。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸理論分析

2.1 磁耦合諧振式無線電能傳輸模型

一般要求無線電能傳輸的共振耦合模型具有高Q=ω/2Γ（對于低本征耗散率Γ），因此在磁共振耦合方式中，不是用易耗散的輻射遠場，而是用短暫不易耗散的平穩近場。在傳輸距離大于設備尺寸時，如果要求耦合系數κ 較大，最好選擇尺寸較大的發射源。

2.2 磁耦合諧振式無線電能傳輸電路的設計

2.2.1 拓撲結構

文獻[14]對比了3 種電路結構。三種電路結構如圖1 所示。

圖1 三種電能無線傳輸結構

圖1(a)為簡單的非諧振感應耦合方法。圖1(b)為低Q 值諧振耦合方法，源阻抗和負載阻抗近似與LC 諧振電路并聯，R2和R3較小，所以系統的Q 值主要決定于RS、RL。圖1(c)為高Q 值諧振耦合方法。源阻抗和負載阻抗通過感應耦合至LC 諧振電路，阻抗將會按變比的平方反比例下降。合理的調節變比，可以獲得很高的系統Q 值。

選擇第3 種電路結構，可以獲得高Q 值的磁共振耦合電路結構。圖2為示意圖。

圖2 磁耦合諧振式電路結構

L1為發射線圈，通過電磁感應和發射諧振線圈L2互相作用，L1的電源頻率和L2的諧振頻率相同可以觸發L2諧振。L3為接收諧振線圈，通過電磁感應和L4互相作用。L3的諧振頻率和L2的諧振頻率一致。這樣，只要發射線圈的電源頻率和L2、L3的諧振頻率一致，L1中的能量就可以高效耦合給負載RL。

2.2.2 功放電路的設計

功放電路的設計輸出頻率在1-20MHz 范圍內可調，最大輸出功率20W。

為了系統的可靠運行，設計1-20MHz 的振蕩電路，實現全范圍可調，這樣便于尋找系統的諧振頻率和進行更多實驗。為了實現在1-20MHz 范圍內調頻，采用壓控振蕩器（VCO）設計高頻振蕩器。電路原理圖如3 所示。

圖3 振蕩電路及功率放大電路

功率放大電路的輸出經3dB 衰減器接入。信號通過兩只IRF510 組成的推挽功率放大電路進行功率放大，最后高頻功率信號經高頻變壓器輸出。由于負載為線圈，其阻抗和功放的特性阻抗不匹配，為保護功放電路，功放輸出需經3dB 衰減器接發射線圈。

3 實驗研究與分析

電路參數見表。

表 電路參數表

功放經過3dB 衰減器接發射級線圈L1，接收線圈L4接電阻R=50Ω。在此基礎上，對系統進行實驗測試，并分析相關數據。

3.1 感應耦合方式傳遞能量

L2和L3兩個諧振線圈斷開，通過改變發射頻率和傳輸距離，測量負載電壓。負載電壓為峰-峰值電壓表示。感應耦合方式的能量傳遞測試結果如圖4所示。

由實驗結果可知，固定頻率下，隨著傳輸距離增加，感應耦合方式獲得的能量逐漸降低；同時，隨著頻率的增加，感應耦合方式獲得的能量急劇減小。

3.2 諧振耦合方式傳遞能量

L2和L3兩個諧振線圈接入調節電容，通過改變發射頻率和傳輸距離，測量負載電壓。負載電壓為峰-峰值電壓表示。諧振耦合方式的能量傳遞測試結果如圖5 所示。

圖5 諧振耦合方式下負載電壓與距離的關系

3.3 感應耦合與諧振耦合方式比較

通過比較在各種不同頻率下兩種能量傳遞方式的負載電壓，可以知道兩者傳輸性能的優劣。

電源頻率f=1MHz 時，測試結果如圖6 所示。

電源頻率f=1.572MHz 時，測試結果如圖7 所示。

圖6 f=1MHz 時負載電壓與距離的關系

圖7 f=1.572MHz 時負載電壓與距離的關系

電源頻率f=2.23MHz 時，測試結果如圖8 所示。

圖8 f=2.23MHz 時負載電壓與距離的關系

電源頻率f=3.425MHz 時，測試結果如圖9 所示。

圖9 f=3.425MHz 時負載電壓與距離的關系

4 個頻率下均發現，諧振耦合獲得的能量是感應方式獲得的2～4 倍，因此諧振耦合方式比感應方式更適合短距離電能無線傳輸。

3.4 諧振耦合的特性

諧振耦合方式的優點在于線圈諧振時，接收線圈將獲得較高的能量。根據理論計算，系統諧振頻率為

系統按諧振耦合方式工作時，測試結果如圖10所示。

圖10 諧振耦合方式下負載電壓與距離的關系

實際測試電源頻率為1.178MHz 時，系統發生諧振，諧振點與理論計算有偏差。這是因為線圈在高頻下的分布電感和電容使其諧振頻率發生了偏移，但是測試結果仍然表明，諧振耦合線圈具有很高的Q 值，且在諧振點處接收的能量最高。

為了更直觀地體現磁耦合諧振式無線電能傳輸的能力，負載線圈接入12V/3W 的LED 燈，實驗平臺如圖11 所示。

圖11 磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗裝置

4 結論

實驗成功實現了100cm 距離處12V/3W 的LED燈的供電，驗證了磁耦合諧振式無線電能傳輸方式的可行性，實測數據表明其傳輸功率明顯優于感應方式，且其電能傳輸距離更長。

[1]Barrett P J.Electricity at the columbian exposition[M].Madison：R.R Donnelley,1894：168-169.

[2]J.M.Fernandez,J.A.Borras.Contactless battery charger with wireless control link[P],US,6184651,2001.

[3]L.Ka-Lai,J.W.Hay,P.G.W.Beart.Contact-less power transfer[P],US,7042196,2006.

[4]Esser A,Skudelny H-C.Contactless battery charging system[P],US,5157319,1992.

[5]A.Kurs,A.Karalis,R.Moffatt,J.D.Joannopoulos,P.Fisher,and M.Soljacic,Wireless p ower transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science,2007(317)：83–86.

[6]A.Karalis,J.D.Joannopoulos,and M.Soljacic.Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer[J].Annals of Physics,2008,323(1)：34–48.

[7]傅文珍,張波,等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計[J].中國電機工程學報,2009,29 (18)：21-26.Fu Wenzhen,Zhang Bo,et al.Maximum efficiency analysis and design of self-resonance coupling coils for wireless power transmission system[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(18)：21-26.

[8]黃輝,黃學良,譚林林,等.基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發射及接收裝置的研究[J].電工電能新技術,2011,30(1)：32-36.Huang Hui,Huang Xueliang,Tan Linlin,et al.Research on transmitter and receiver of wireless power transmission based on magnetic resonance coupling[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2011,30(1)：32-35.

[9]Bhuyan S,Panda S K,Sivanand K,et al.A compact resonace-based wireless energy transfer system for implanted electronic devices[C].International Conference on Energy,Automation,and Signal.Bhubaneswar,India：IEEE,2011：1-3.

[10]Xue R F,Cheng K W,Je M.High-efficiency wireless power transfer for biomedical implants by optimal resonant load transformation[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers,2012(99)：1-8.

[11]Imura T,Okabe H,Hori Y.Basic experimental study on helical antennas of wireless power transfer for electric vehicles by using magnetic resonant couplings[C].Vehicle Power and Propulsion Conference.Dearborn,USA：IEEE,2009：936-940.

[12]Young Dae Ko;Young Jae Jang.The optimal system design of the online electric vehicle utilizing wireless power transmission technology.IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2013,14(Issue：3)：1255-1265.

[13]Toshio Ishizaki,Satoshi Nojiri,Tetsuya Ishida,et al.3-D free-access WPT system for charging movable terminals[C].2012 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission：Technologies,Systems,and Applications(IMWS),2012：219-222.

[14]Benjamin L.Cannon.Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2009,24(7)：1819-1825.