基于磁場耦合諧振的無線電能傳輸裝置設(shè)計

劉千銘，黃 毅，應 珊，馬嘉瑋

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，江西 贛州 341000）

0 引 言

基于磁場耦合諧振的電能無線傳輸，其原理是將磁場作為電能無線傳輸?shù)慕橘|(zhì)，通過發(fā)射線圈與接收線圈之間的共振，建立電能傳遞通道，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸[1]。利用磁場耦合式的電能無線傳輸，傳輸距離可以達到幾米，能夠保證一定的傳輸功率與效率，且不受空間障礙物的影響。基于磁場耦合諧振式的電能無線傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠、效率高等優(yōu)點，有著廣闊的應用前景[2]。

本文基于磁場耦合諧振進行無線電能傳輸裝置設(shè)計，首先建立磁場耦合諧振式電能無線傳輸裝置電路模型，推導出了負載功率及傳輸效率計算方法。然后對磁場耦合諧振的電能無線傳輸裝置的發(fā)射端電路及接收端電路的設(shè)計進行說明。最后，制作實驗裝置，對設(shè)計方案進行驗證。

1 磁場耦合諧振無線電能傳輸裝置分析

基于磁場耦合諧振的電能無線傳輸裝置由電源、發(fā)射端電路、發(fā)射線圈、接收線圈及接收端電路組成。發(fā)射線圈和接收線圈可等效為LC電路，且LC電路的固有諧振頻率相同，當發(fā)射端電路輸出的激勵信號頻率與線圈固有諧振頻率相同時，發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生磁場耦合諧振，線圈間的電能無線傳輸通道得以建立[3]。

磁場耦合諧振式電能無線傳輸裝置等效電路如圖1所示，其中U發(fā)射端電路輸出的為高頻電壓信號，信號頻率為ω，Ls為發(fā)射線圈的等效電感，Rs為發(fā)射線圈的等效電阻，Cs為發(fā)射線圈的匹配電容，LD為接收線圈的等效電感，RD為接收線圈等效電阻，CD為接收線圈的匹配電容，RL為負載電阻，M為發(fā)射線圈與接收線圈間互感，D為線圈間的距離[4-5]。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置等效電路

高頻電壓信號頻率為ω，此時發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生諧振，發(fā)射線圈流過電流的角頻率為ω，電流有效值為IS，則有：

根據(jù)圖1的等效電路模型列KCL、KVL方程：

由式（2）、式（3）、式（4）得負載電流有效值IL、負載功率P0：

式（6）中IS與輸入電壓U成正比。

電能傳輸效率η為：

其中，P0為接收端電路的負載功率，P1為發(fā)射線圈的功率損耗，P2為接收線圈的功率損耗。

接收線圈中的電流ID為：

接收端線圈的損耗功率P2為：

發(fā)射端線圈的損耗功率P1為：

由式（6）～式（10），可以計算出傳輸效率η為：

兩線圈之間的互感近似為：

其中，Ns為發(fā)射線圈匝數(shù)，ND為接收線圈匝數(shù)，為真空磁導率，發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合系數(shù)k為：

發(fā)射線圈與接收線圈的結(jié)構(gòu)和形狀對線圈的電感都有影響。當線圈為環(huán)形時，線圈電感計算公式為：

其中，N為線圈匝數(shù)，μ0為真空磁導率，r為線圈的半徑，a為線圈導線的線徑。

當發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生諧振耦合時，線圈等效電阻由輻射電阻及歐姆電阻構(gòu)成，輻射電阻計算式如下：

其歐姆電阻計算公式為：

其中，σ為線圈導線的電導率；λ為電波波長。由于磁耦合諧振頻率在0.5～25 MHz，Rr?R0，所以線圈等效電阻近似等于R0。

當磁場耦合諧振式無線電能傳輸裝置匯總中，發(fā)射線圈及接收線圈參數(shù)已經(jīng)確定后，諧振頻率ω0、Rs、RD、RL已經(jīng)確定，激勵信號頻率ω影響電能傳輸效率η。當線圈的固有諧振頻率與激勵信號頻率相同，即ω=ω0時，電能無線傳輸?shù)男师亲畲螅划敿钚盘栴l率偏離線圈的固有諧振頻率時，傳輸效率逐漸下降。電能無線傳輸速度可以由發(fā)射線圈與接收線圈間的耦合系數(shù)k來表征，耦合系數(shù)k越大，電能從發(fā)射線圈傳輸?shù)浇邮站€圈的速度就越快。耦合系數(shù)k主要是由線圈間的距離決定，當激勵信號頻率設(shè)定與諧振頻率相等時（ω=ω0），耦合系數(shù)k變化時，電能傳輸效率也隨之變化，k越大，傳輸效率越高[6]。

2 無線電能傳輸裝置設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

通過線圈諧振耦合，實現(xiàn)無線電能傳輸，整個裝置由發(fā)射端電路及接收端電路組成。其中，發(fā)射端電路由脈沖信號發(fā)生電路、驅(qū)動電路、發(fā)射線圈組成。接收電路由接收線圈、整流電路、負載組成。發(fā)射端線圈與接收端線圈參數(shù)一致，線圈采用多股漆包線繞制，通過發(fā)射端電路給出頻率與線圈固有諧振頻率相同的激勵信號，使得發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生磁場耦合諧振，建立線圈間的電能無線傳輸通道。

2.2 發(fā)射端電路設(shè)計

發(fā)射電路主要由NE555多諧振蕩器電路、功率器件IRF540及發(fā)射線圈等組成。其電路如圖2所示[6-7]。

圖2 NE555時基電路

NE555輸出脈沖信號頻率f：

脈沖信號占空比T：

2.3 接收端電路設(shè)計

接收電路由接收線圈P1、D1～D4整流電路、電容C13構(gòu)成，負載由R1與LED1-LED6組成，其電路如圖3所示。為了更容易實現(xiàn)接收與發(fā)射產(chǎn)生諧振，本設(shè)計的接收線圈與發(fā)射端線圈及并聯(lián)電容的參數(shù)相同[8]。

圖3 無線電能接收電路

3 實驗測試

實驗中，發(fā)射端線圈與接收端線圈參數(shù)一致，線圈采用多股漆包線繞制，每圈半徑20 cm，導線截面半徑為1 mm，線圈匝數(shù)為19匝。電路參數(shù)為：發(fā)射端電感Ls=300 μH，電容Cs=300 pF、Rs=7.2 Ω，接收端電感Ld=280 μH，電容Cd=300 pF，電阻Rd=5.9 Ω，為了方便進行功率測試，用電阻替代原來LED燈負載，其中RL=20 Ω，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離D=15 cm、輸入直流電壓VCC=16 V時，該無線電能傳輸裝置的效率η數(shù)據(jù)如表1所示[9]。

表1 效率測試圖

根據(jù)表1可知，頻率f=1.1 MHz時，無線電能傳輸裝置輸出功率達到最大；而電能無線傳輸效率隨著頻率的增加不斷增大。

4 結(jié) 論

本文基于磁耦合諧振式電能無線傳輸技術(shù)，設(shè)計了一個無線電能傳輸裝置，實現(xiàn)近距離電能無線傳輸。實驗裝置在兩線圈距離15 cm時，傳輸功率為4.9 W，傳輸效率達到48%。