磁耦合諧振式無線電能傳輸系統研究*

蔡昕晨 李紀嫻 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

傳統的以輸電線傳輸電能的方式，不可避免地存在輸電線路磨損、接觸火花和布線不便等問題．因此，發展無線電能技術是解決傳統有線輸電限制的重要途徑．磁耦合諧振式無線電能傳輸系統實現了無線電能傳輸，并具有傳輸距離較遠，傳輸效率較高等優點，為進一步的應用提供參考．

1 系統模型建立

磁耦合諧振式無線電能傳輸的原理分析方法可分為兩種：耦合模理論(CMT)和等效電路理論．耦合模理論從系統的能量角度進行分析，比較抽象、不易理解；等效電路理論是通過系統電路搭建物理模型，結合等效參數完成原理分析，易于理解．磁耦合諧振式可分為4種等效電路模型：串聯-串聯、串聯-并聯、并聯-串聯、并聯-并聯．本文對串聯-并聯理論進行分析．

根據磁耦合諧振系統的傳輸模型建立如圖1所示的等效電路圖．US為高頻激勵源電壓；RS為高頻激勵源內阻；L1，L2為發射和接收線圈的等效電感；R1，R2為發射和接收線圈在高頻下的等效電阻；C1為發射線圈串聯補償電容，C2為接收線圈的并聯補償電容，M12為發射和接收線圈的互感耦合系數；RL為負載電阻．

圖1 等效電路圖

2 系統硬件設計

系統采用STM32作為主控芯片，系統電路主要包括全橋逆變電路，整流濾波電路，采樣電路及電源電路．

2.1 全橋逆變電路

全橋逆變電路將直流電轉化為交流電為發射端提供高頻激勵源，電路如圖2所示．電路采用兩塊半橋驅動芯片IR2104組成一個全橋驅動；MOS管采用IRF840，其具有驅動電流大耐壓值高、開關頻率高等特點．

圖2 全橋逆變電路圖

2.2 整流濾波電路

全橋整流電路采用MBRF30100CT肖特基二極管，具有耐高壓、低導通電壓、低阻抗等特性．二極管采用兩兩并聯的方式連接，有效地降低二極管的內阻，減少電路中的損耗，電路如圖3所示．

圖3 整流濾波電路圖

3 系統軟件設計

本系統軟件的核心是SPWM程序的編寫，SPWM是脈沖寬度按正弦規律變化的PWM波形，也稱正弦脈寬調制，按調制脈沖極性關系可分為單極性SPWM和雙極性SPWM兩種．本系統采用雙極性SPWM，通過STM32F103C8T6的高級定時器TIMER1產生兩組互補PWM，普通定時器TIMER3控制正弦波周期，在每個正弦波周期內，將生成的512個點的正弦表依次賦給TIMx_CCRx寄存器從而產生出雙極性SPWM波．

4 結論

本文基于磁耦合和諧振的物理原理，設計出了一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的設計，通過

STM32正弦脈寬調制實現逆變，利用發射線圈與接收線圈的電磁耦合作用實現電能的無線傳輸，系統實物圖如圖4所示．通過實驗測試，在傳輸距離為10 cm時傳輸效率達60%；負載為1W LED時，傳輸距離可達1 m．該設計具有傳輸距離較遠、傳輸效率較高、易于操作、可靠穩定等特點．

圖4 系統實物圖

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