无线电能传输的实现

    赵佳勇等

    

    

    

    摘 要：无线电能传输供电是不用电线连接而实现输电的技术。本文所述的无线电能传输装置依据磁耦合谐振原理，由发射模块和接收模块组成。发射电路通过晶体振荡产生精准的控制频率，并通过高压半桥驱动芯片驱动半桥功率电路实现无线电能发射。接收电路由谐振回路和桥式整流电路组成，将交流电压处理成直流电压，滤波后供于负载运作。当负载采用两个1瓦的LED灯珠串联时，装置可在80cm左右远处将其点亮，实现较远距离的无线电能传输。同时，在短距离内可以达到较高的传输效率，能够为手电筒、mp3等小功率电子产品充电。

    关键词：无线电能 脉冲驱动 磁耦合谐振

    随着科学技术的发展，人类不断探索发明新的事物去改善方便生活。电脑、手机这些电子产品已走进寻常百姓家，因其功能多样，深受大家的喜爱。然而其充电方式依旧采用充电头连接线，使用起来较为不便，并且接线端还不是统一规格的。如果采用无线电能传输技术，可以避免杂乱的连接线路，实现近距离无接触地将电能传输给负载，使用起来既方便又安全。同时，在矿井、油田、水下等一些特殊的作业环境中，该技术可避免传统电能传输方式带来的潜在危险。现介绍一款小功率无线电能传输装置的设计方法。

    磁耦合谐振的基本原理

    两个及两个以上通电线圈通过彼此产生的磁场相互联系的物理现象称为磁耦合。磁耦合的程度由通电线圈的电流大小、频率等多方面因素决定，该程度直接决定了能量传输的距离和效率。磁耦合线圈中的磁通链有两部分组成，一部分是自感磁通链，另一部分则是通电线圈之间的互感磁通链，并且总磁通链与施感电流呈线性关系，等于各施感电流独立产生的磁通链叠加。因此如果两个耦合的电感中有电流发生变动，则各电感产生的磁通链将随电流变动而变动。设电感L1和L2的电压、电流值分别为u1、i1和u2、i2，且两者都取关联参考方向，互感值为M，则两耦合电感的电压电流关系式为：

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    磁耦合谐振式无线电能传输原理如下图所示，

    上图中，发射线圈S与电源振荡电路的电感A相互耦合，而接收线圈D与电阻负载电感B相互耦合，同时自谐振线圈S和D依赖其内部电感及电容的分布而达到谐振。能量通过电源振荡电路的电感A耦合到发射线圈S，发射线圈S与接收线圈D由于具有相同的谐振频率，在磁场的作用下产生谐振，最终接收线圈D与负载线圈B通过耦合实现能量传递。在此无线电能传输系统中，KS和KD称为近距离耦合，而K则称为远距离的磁耦合谐振。

    两个及两个以上具有相同谐振频率的线圈（如图1中的S与D），在间隔一定的距离时，由于线圈磁场相互耦合产生谐振，从而进行能量传递的过程称为磁耦合谐振式无线电能传输。一般来说，两个间隔一定距离的LC谐振线圈，相互之间产生的为弱耦合，但如果两者具有相同的谐振频率，则会产生电磁谐振，构成一个电磁谐振系统，同时若有多个谐振线圈也在有效范围内，则同样可以加入该谐振系统，如果连接电源的线圈不断为该谐振系统提供能量（如图1中的A），而其他线圈消耗能量（如负载B），则实现了电能的无线传输。之所以称其为“磁耦合谐振”，是因为空间中进行能量交换的媒介是交变磁场，并且每个线圈的电磁谐振是由线圈中的磁场与分布电容的电场实现的。该方法的特点在于发射和接收电路中加入了高品质因素的自谐振线圈构成发射和接收装置。

    无线电能传输装置结构

    1、脉冲频率的确定

    频率越高能量辐射越容易，作为无线电能传输，应该采用尽量高的辐射频率。本设计中为使无线信号能够较为高效的传输，考虑到场效应管的开关速度，若场效应管开关速度过高，效率将下降，同时满足各芯片要求，最终采用256kHz频率传输。由于利用的晶振电路产生8.192MHz频率方波信号，则需利用CD4060芯片进行5分频运作。

    2.、无线电能发射模块

    依据2014年浙江省第五届大学生电子设计竞赛要求，本方案采用15V直流电源，通过两个0.1μF、100μF电容滤波后输入。振荡信号从CD4060芯片7脚（Q4）上输出256kHz的频率脉冲。但此时脉冲的驱动能力很弱，需要经过一定的电流驱动，这里采用L6384D高压半桥驱动芯片进行驱动。

    L6384D能够承受600V的高电压，具有滞后和下拉的CMOS/TTL施密特触发输入，欠压锁定，掉电输入等特点。芯片可驱动拉电流400mA，灌电流550mA，并且利用其设计的外围电路简单、占用空间小。L6384D的引脚数量较少，各引脚功能不同。

    L6384D芯片配合半桥功率电路工作，可以起到脉冲分离的作用，将输入的一个脉冲分成两个脉冲输出，并且保持两个脉冲电位相互独立。因L6384D芯片2脚（VCC）和8脚（VBOOT）在其内部之间设置了一个二极管，所以独立的自举电压可以由该二极管提供。5端与4端为一对脉冲输出，7端与6端为另一对脉冲输出，7端输出电平与1端相同，5端输出电平与1端相反。频率脉冲由L6384D芯片的1脚（IN）送入，通过芯片内部运作后，最终在7脚（HVG）和5脚（LVG）输出互补的具有一定驱动能力的稳定256kHz正弦信号。同时，L6384D芯片3脚（DT╱SD）经一个56kΩ电阻接地，合理地控制两路输出的死区时间，当该引脚的电平低于0.5V的时候，芯片停止工作。

    在15V供电电压的情况下，功率场地效应管的开启电压已经足够大，不需要另外处理，但通常在栅极串入一个10Ω电阻以限流。为了安装调试时场效应管的工作安全，在其栅源间靠近栅极处并联10kΩ电阻，防止栅极开路。

    在这里能量提供线圈和振荡线圈合二为一，为获得更高的传输效率，LC振荡电路采用与驱动脉冲相同的频率信号，发射线圈为外径20cm的空心线圈，绕3匝，测得电感值为3.4μH，根据公式：

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    计算可得振荡电路中C=120 nF。

    3、无线电能接收模块

    无线电能接收与输出电路如图2所示，图中L2与C9组成接收端串联谐振网络，与发射线圈形成磁匝耦合关系，将接收到的正弦信号经桥式整流实现AC/DC转换，然后经过两个0.01μF、220μF电容滤波输出比较平稳的直流电压，供于负载（如1瓦LED灯）运作。

    接收模块采用与发射模块相同的谐振频率，线圈为外径20cm的空心线圈，绕4匝，测得电感值为4.94μH，再根据公式：

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    计算得谐振电容C=82nF，实际通过多个电容并联获得82nF的容量。

    测试与结果

    当接收模块的输出端接上10Ω电阻负载，观察并计算无线电能传输效率随发射线圈与接收线圈距离变化的关系，如表1。

    当接收模块的输出端接上20Ω电阻负载，观察并计算无线电能传输效率随发射线圈与接收线圈距离变化的关系，距离较近时随两线圈间距的增加而急剧下降，当距离较远时下降速度变慢，如表2。

    为了便于分析，将表1、表2数据绘制成散点图。当接收模块所接负载改变时，相同间隔距离下的传输效率也将发生改变。总体上，无线电能传输效率随线圈间隔距离的增大而非线性地减小，当距离增加到20cm以上时，传输效率已经很低。

    当负载改为两个1瓦的LED灯珠串联，装置可在80cm左右将其点亮。

    结论

    基于磁耦合谐振原理，阐述了无线电能传输装置的设计原理，分析了无线电能传输效率随线圈间隔距离变化的关系，并且传输效率与接收模块所接负载也存在一定关系。经过试验测试，该装置能实现较远距离的无线电能传输，虽然效率降低，但依然能将80cm左右远的灯珠点亮。在近距离时，电能传输效率较高，可为手电筒、mp3等低功耗电子产品供电。但针对于如何将无线电能传输技术更为高效地应用于高功耗的现实生活生产中，我们还有很多工作要做。

    （作者单位：浙江海洋学院船舶与海洋工程学院）