磁耦合谐振式电能无线传输系统的设计与实践

    毛春刚等

    摘 要：电能无线传输技术不依赖于有线的传输媒介进行供电，对于有线供电不便的特殊环境有着重要的应用价值。本文以CD4060和L6384D高压半桥驱动芯片为核心，设计并搭建了无线电能传输的SSSP型实验电路。通过实验，分析了无线电能传输效率与传输距离、负载电阻之间的关系，为今后无线电能传输的相关研究提供参考，实验结果表明：四线圈结构的SSSP型无线电能传输装置传输效率并不像其他类型传输装置那样随距离的增加而减小，而是随着传输距离的增加成倒“V”字形变化。

    关键词：电能无线传输 磁耦合谐振 拓扑结构 传输效率

    传统的电能传输通过有线方式进行，该方式会产生线路老化、尖端放电严重等不可避免的问题，这对用电设备的可靠性和安全性提出了更高的挑战。一方面，在一些特殊场合，如矿井、水下、加油站等，传统电缆线会产生严重的安全隐患，并可能造成巨大的经济损失；另一方面，生活中使用的大量用电设备需电源线，势必会带来电线交叉繁杂的不便。

    无线电能传输技术（WPT），又称无接触能量传输（Contactless Power Transmission，CPT）技术，顾名思义，即以非接触的无线方式实现电源与用电设备之间的能量传输。早在1890年，由著名电气工程师尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla） 提出，因而有人称他为无线电能传输之父；2007年6月麻省理工学院的研究人员已经实现了在短距离内的无线电力传输，他们通过电磁感应利用磁耦合共振原理成功地点亮了离电源2m多远处的一个60w灯泡。

    迄今为止，实现无线电能传输技术的方式主要有电磁感应式、核磁共振式、辐射式等三种方式如图1所示。

    磁耦合谐振的工作原理

    磁耦合谐振式无线输电是非接触式无线能量传输方式的其中一种，该方式的特别之处在于共振环节中的两个共振线圈会发生高频自激振荡，使线圈的回路阻抗为最小值，从而使大部分能量在谐振的路径上传递。

    一个完整的磁耦合谐振式无线电能传输系统如图2所示，除两个发生自激振荡的开路线圈外，还必须有带有发射线圈的高频发射功率源和带有接收线圈的接收功率设备。

    图2中，高频振荡电路用于控制谐振频率；由于振荡电路的驱动能力很弱，需要用高频功率放大电路驱动后面用于电磁交换的空心线圈 ；空心线圈 能将电能转化为磁场能，并将其感应到与他相邻的发射线圈 上；高频共振环节是实现能量无线传递的发射线圈 和接收线圈 。电阻用于测量电流；负载回路中的将磁场能转化为电能。为了减少接收线圈 自激振频率受到负载回路电抗的影响， 的感抗应该尽量小，负载回路可认为是纯电阻回路，它反射到线圈 的阻抗即为纯电阻，单匝线圈 从线圈 上感应到的能量给负载 供电，从而完成整个能量的无线传输。

    1、磁耦合谐振无线电能传输基本谐振拓扑结构

    磁耦合谐振无线电能传输技术通常需要对发射端和接收端绕线电感进行补偿，根据发射端补偿环节接收端补偿环节结构的不同，可分PSSS，PSSP，SSSS，SSSP这4种拓扑结构，如图3所示。其中， （Parallel）代表并联型补偿， （series）代表串联型补偿。图中， 为电压型磁共振电能传输系统经过高频逆变电路之后的等效电压源； 为电流型磁共振电能传输，系统经过高频逆变电路之后的等效电流源； 、 分别为共振线圈1和共振线圈2的电感； 分别为发射端和接收端电感 的补偿电容； 分别为发射端和接收端的等效串联电阻； 分别为共振线圈1，2的等效串联电阻； 为负载； 为接收端到共振线圈2的反射阻抗； 为共振线圈2到共振线圈1的反射阻抗； 为共振线圈1 到发射端的反射阻抗； 为发射端和共振线圈1之间的互感系数； 为两共振线圈之间的互感系数； 为共振线圈2和接收端之间的互感系数。

    谐振电容实际是通过多个电容并联达到所要用到的值，由于每个电容电感都不是完全相同，所以最终计算出来的谐振频率也并不一致，但基本保持256KHz。实验中各个主要元件的相关参数如表1所示。

    发射模块原理如图4所示，本设计采用15V直流电源供电，晶振电路产生8.192MHz频率方波信号，通过CD4060芯片5分频后产生256KHz的频率脉冲，由于该脉冲的驱动能力弱，这里采用了L6384D高压半桥驱动芯片进行驱动。该芯片产生的两个独立电位，分别控制功率场效应管工作来产生交变信号，通过串联谐振电路发射能量。

    实验装置如图6所示，利用晶振电路产生256KHz的高频信号，采用15V直流电源供给发射模块（5），通过高压半桥驱动芯片进行驱动，在发射线圈（1）上具有一定功率的正弦电磁波，经过共振线圈（2）将能量传递到共振线圈（3）上，接收线圈（4）接收共振线圈（3）上的能量，经过接收模块（6）供给负载（7）使用。这里的4个线圈直径均为20cm，共振线圈（3）由细铜线绕制而成，其他3个由粗铜线绕制而成。

    实验与分析

    为保持4个线圈都在通一条直线上，在实验台上贴了黑胶带，另用黑胶带对线圈进行固定，防止因线圈的晃动对实验结果的产生干扰。发射线圈（1）共振线圈（2）之间的距离和共振线圈（3）接收线圈（4）均保持在D=10cm，共振线圈（2）和共振线圈（3）之间的距离记为S，当负载阻值R为10Ω时，从S=5cm开始实验，每隔5cm测一组数据，总共测6组。同理对负载阻值R为20Ω、30Ω时进行实验。

    通过信号发生器直接读出供给的电流值和电压值，用万用表测量出流过负载的电流和负载两端的电压。利用公式分别求装置的出输入功率和输出功率，利用公式求出装置的传输效率。实验数据分别如表2、表3和表4。

    从以上实验得出：负载R相同的条件下，随着距离S的增加，传输效率先增大后迅速减小；距离较近时，传输效率处在一个比较高的水平上；距离较远时，传输效率很低，基本处于难以有效利用状态。距离S相同的条件下，随着负载R的增加，传输效率也会有增加，但后期效果不明显。

    结语

    采用四线圈结构磁耦合谐振无线电能传输装置的设计，相比两线圈结构，很大程度的隔离了电源和负载对谐振线圈的影响，传输距离和传输效率也有了进一步的提升。目前，磁耦合谐振式无线电能传输正在得到更多、更深入的研究，装置的传输距离、传输效率和装置小型化等方面还有待解决，相信不远的将来，利用磁耦合谐振式无线传输技术的产品会逐渐普及。

    参考文献：

    [1]黄学良，谭林林，陈中等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013，28（10）：1-11.

    [2]李阳，杨庆新，闫卓等.磁耦合谐振式无线电能传输方向性分析与验证[J].电工技术学报，2014，29（2）：197-203.

    [3]储江龙.磁耦合谐振式无线电能传输系统高效E类功放设计和实现[D].浙江大学，2014.

    [4]于春来.磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

    [5]傅文珍，张波，丘东元.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J]. 中国电机工程学报，2009，45（18）：21-26.

    [6]翟渊，孙跃，戴欣.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析[J].中国电机工程学报，2012，48（12）：155-160.

    [7]薛明，杨庆新，李阳等.磁耦合谐振式无线电能传输系统存在干扰因素下的频率特性研究[J]. 电工电能新技术，2015，33（4）：24-30.

    [8]林宁.无接触电能传输系统的设计研究[D].浙江大学，2011.

    [9]雷阳.用于家用电器的双负载无线电能传输系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

    基金项目：浙江省自然科学基金项目（LY13E090004）；浙江海洋学院科研项目（浙海院研〔2012〕20号）；浙江海洋学院2015年度大学生科技创新项目.

    （作者单位：浙江海洋学院）