基于磁諧振技術的無線充電裝置

李博，朱宸綦，劉佳敏，何靜，馬驍

（1.陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西西安710119j 2.玉門油田方圓物業公司甘肅玉門735000）

基于磁諧振技術的無線充電裝置

李博1，朱宸綦1，劉佳敏1，何靜2，馬驍1

（1.陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西西安710119j 2.玉門油田方圓物業公司甘肅玉門735000）

針對無線能量傳輸技術在大范圍民用化中的一些問題，基于實驗室模型，本文提出了一種通過合理利用磁諧振技術的一對多能量傳輸裝置的構想。該構想通過科學分析和實驗測試，重點探究了一對多傳輸系統的特性，探究其在具體應用中的可行性。仿真結果表明，該構想能夠有效探究無線能量一對多傳輸技術。

無線能量傳輸；一對多；磁諧振技術；民用化

在2010年的一項調查中顯示［1］，我國60%以上的用戶認為電池電量不足是困擾他們的最大問題。手機是靠電能驅動的，沒有電的手機就是一塊廢鐵。人們為了解決這一難題，制造了移動電源，但現在市面上所出售的移動電源僅能供部分設備充電，無法滿足大功率電器的長時間使用。因此，相比于制造高性能的移動電源，無線能量傳輸技術以其獨特的優越性成為未來發展的主流方向［1］。從2005年開始，市場上就已經有了一些無線充電裝置，但使用起來效果很不理想，因為其仍然無法進行大功率、遠距離的傳輸，達不到大范圍民用化的標準［2］。

1　原理及設計

1.1方案的比較和選擇

文中所設計的無線充電裝置主要應用了4個方面的技術原理，分別是：諧振補償技術、高頻逆變技術、整流濾波技術、諧振耦合技術。主要特點為：一對多、大功率、高效率。通過發射端磁感應線圈向周圍空間傳輸能量，周圍的手機所接連的磁感應接收裝置來收集電能，從而達到能夠同時向周圍多個設備傳輸電能的目的。文中主要從這4個方面具體設計方案的比較和選擇，來進行論述。

圖1　整體原理圖

1.1.1高頻逆變部分

在基于磁諧振技術的無線充電裝置中，高頻逆變部分的功能是由直流電壓（電流）逆變產生高頻電壓（電流），并在變換后給發射端耦合線圈提供穩定的高頻電流。高頻逆變部分是系統的極為重要的部分，一個系統的工作性能很大程度上取決于高頻逆變電路是否能達到工程要求。在比較了多種電路后，本文采用了全橋式逆變電路來構成無線充電裝置。全橋式高頻逆變電路輸出功率比較大，開關管電壓較低，可以采用軟開關工作方式，提高性能要求。全橋式高頻逆變電路的缺點是功率器件較多［3］，控制及驅動電路都較復雜，逆變電路器件會產生較大的損耗，多應用于大功率場合。

1.1.2高頻產生電路

使用M430單片機產生高頻信號。8 MHz晶振的M430單片機可以由2個管腳產生兩列占空比均為1/3的PMW波，經設置相位，2列波正好為可以為產生死區的PMW波，頻率分別為333 M、667 M、1.3 G，滿足預期的條件。

1.1.3驅動電路

文中考慮到IR2110是一種比較新穎的功率MOSFET或IGBT高壓浮動驅動模塊，由美國IR公司推出，這個模塊可以允許驅動信號的電壓上升存在較大變化率，可以緩解功率開關器件在開關上產生損耗的問題。此外，IR2110與其他同類型模塊相比較，還具有電磁隔離等特性，更符合本文所需中小功率變換電路中作為驅動器件的要求。IR2110的工作頻率最高可達為3 MHz，而其他同性能MOSFET的驅動芯片的工程要求是能夠承受較大的驅動電流，并實現較高的工作頻率。此外，IR2110是現有市場上極少能夠在頻率方面達到兆級的要求的芯片，故選擇了芯片IR2110。

1.1.4直流電源轉換部分

MC34063由于其造價便宜，且自身包含了單片控制電路，可較好地完成DC/DC變換控制電路。它的電路組成成分包括：比較器、占空比可調振蕩器、自動補償溫度的基準電壓發生器、R—S觸發器以及大電流輸出開關電路。該器件可用于升降壓變換器、反向器的控制核心，由它構成的DC/DC變換器所需外部元器件相比較而言很少。因此達到了電路的要求，故選用。

1.2各部分具體的電路圖

1.2.1直流電源轉換電路

利用MC34063將15 V變5 V、12 V，該部分的電路圖具體如圖2所示。

圖2　直流電源轉換電路圖

1.2.2驅動高頻逆變整合電路

在具體設計和仿真電路時，本文將高頻逆變電路和驅動電路在一起設計和仿真，利用IR2110和1N5399、IRF740構成驅動和逆變電路，將單片機提供的330 kHz的信號變為交流信號。圖3為本文的驅動高頻逆變整合電路仿真圖［2］。

1.2.3整流濾波電路

在實際設計仿真整流濾波電路時，選用了單相橋式整流電路，仿真電路圖如圖4所示。

2　裝置原理分析

在如何實現遠距離、高效率、一對多的環節上，本文采取了建立模型的方法，模擬了基于磁諧振技術的無線充電裝置的電路模型。為簡化分析過程和減少計算量，本文將發生諧振耦合、交換能量的兩空心線圈隔離出來，單獨進行等效分析［4］。基于磁諧振技術的無線充電裝置等效電路模型如圖5所示。

圖3　高頻逆變電路圖

圖4　單相橋式整流電路圖

圖5　線圈簡意圖

圖5中u為輸入電壓，設ω為頻率，取線圈在高頻下的電阻分別為R1、R2，線圈在高頻下的電容為C1、C2，線圈自身所產生的電感為L1、L2，RL為假設負載回路發射在線圈上的電阻，兩線圈之間互感系數為M，兩線圈之間距離為D。

設發射端線圈的角頻率為ω，電流的有效值為I1，則可以得到：

并且負載電流有效值IL、P0輸出功率可表達為：

式中輸入電壓U與IL成正比。

系統的效率計算為：

其中P1為發射端線圈損耗，P2為接收端線圈損耗。

接收端線圈上電流的有效值為：

發射端線圈損耗P1為：

綜上所述，可得系統效率公式為：

綜上所述，系統輸出功率與系統的頻率、輸入電壓、所帶負載、系統選用線圈參數以及互感均有關［5］。如果系統輸入電壓、頻率、互感加以提高，則系統輸出功率也將得以提高。互感和線圈的品質因數對于系統的效率有很大的影響，而傳輸距離又對互感有一定的限制，故我們可以得出：合適的輸入電壓、頻率、互感對整個系統的能量傳輸將產生重要的影響。

3　實驗結果

在整體作品初步完成后，我們進行了如下5項測試，結果分別是：

1）諧振頻率測試：通過改變信號源頻率觀察示波器反應的波形變化，最終確定電感為25.6 μH和25.7 μH的兩個線圈在330 kHz時的諧振頻率為10 nF，與實驗計算值匹配。

2）濾波整流測試：通過信號源施加330 kHz左右的交流信號，能得到起伏較小的直流波形。

3）高頻發生器測試：單片機提供穩定的333 kHz，3.5 vpp的兩相位相反的30%占空比的穩定可用波形。

4）高頻逆變電路：通過信號源提供的300～500 kHz直流反相信號均能穩定轉化為交流信號。

5）連接完成后的功率測試：M430輸出波形發生了變化，猜測可能是電路功能不能很好的匹配導致，能正常傳輸電能。

4　結論

“一對多、大功率、高效率”，這對于無限能量傳輸技術的實際應用具有重要的意義，著眼未來的無線能量傳輸技術的發展，將進一步要求設備的高效大功率，這樣才能滿足未來信息技術設備發展對能量的需求。Powercast公司已經研制出可以將無線電波轉化成直流電的接收和發射裝置，此裝置可在約1米范圍內為的所有電子裝置的電池進行充電［6］。

通過以上的論述，我們可以清楚地認識到無線能量傳輸技術在我們日常生活中的重要性以及在未來科學技術應用當中的廣闊前景，這將會對我們的生活學習工作的方式產生很多便利的影響。其在大范圍推廣使用中的一些技術難題正在被逐漸解決，本文主要探討了如何實現“一對多、高效率、大功率”，將對無線能量傳輸技術的發展具有深刻的意義，尤其是民用化具有巨大的意義。

［1］Chwei_Sen Wang，Stie1au O H，Covic G A.Design considerations for a contact1ess e1ectric vehic1e battery charger［J］. IEEE Transactions on Industria1 E1ectronics，2005，52（5）：1308_1314.

［2］戴衛力，費峻濤，肖健康，等.無線電能傳輸技術綜述及應用前景［J］.電氣技術，2010（7）：1_6.

［3］甘增俊.低壓大電流直流電源性能改進研究［D］.南昌：南昌大學，2007.

［4］范明.諧振耦合式電能無線傳輸系統研究［D］.太原：太原理工大學，2012.

［5］杜濤.一種用于移動身份識別的近場通信芯片的模擬前端設計［D］.上海：上海交通大學，2011.

［6］黃學良，譚林林，陳中，等.無線電能傳輸技術研究與應用綜述［J］.電工技術學報，2013，28（10）：416_419.

Contactless charglng deVlce based on the technology of magnetlc resonance

LI Bo1，ZHU Chen_qi1，LIU Jia_min1，HE Jing2，MA Xiao1
（1.School of Physics&Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi'an 710119，China；2.Yumen 0ilfield Fangyuan Property Company，Yumen 735000，China）

Aiming at some prob1ems in a widespread civi1 use of the contact1ess energy transmission techniques，based on the 1aboratoria1 mode1，this essay provide a design of one_to_many energy transmission device achieved by the magnetic resonance technique.With scientific ana1ysis and experimenta1 measurement，this essay demonstrates the characteristics of the one_to_ many energy transmission system and the possibi1ity of its use in practica1 app1ication.And the simu1ation resu1ts indicate that this design cou1d operate effective1y in the further inquiry for the one_to_many contact1ess energy transmission technique.

contact1ess energy transmission；one_to_many；magnetic resonance technique；civi1ian use

TN014

A

1674_6236（2016）10_0111_03

2015_06_09稿件編號：201506095

陜西省自然科學基金（2014JQ2_6032）；中央高校基金（GK201503018）

李博（1994—），男，甘肅隴西人。研究方向：無線能量傳輸。