磁耦合諧振式無線電能傳輸方法研究

聶彬彬，聶丹鳳

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

在電能產(chǎn)業(yè)快速穩(wěn)步發(fā)展的大時(shí)代下，無線電能傳輸技術(shù)，因其特有的便捷形式，將會(huì)是未來時(shí)代的主流研究方向[1]。目前無線電能傳輸主要是借助于電磁感應(yīng)、電磁諧振、電磁輻射這三種不同形式來實(shí)現(xiàn)能量的傳送。此三種方案都不需要導(dǎo)線相連接，旨在打造安全、可靠的全新電能傳輸方式[2]。但在三者當(dāng)中，電磁輻射方法損耗巨大、效率不高；電磁感應(yīng)方法在傳送距離方面又會(huì)受到較大程度的限制；磁場(chǎng)耦合諧振方式能夠避免這些缺點(diǎn)。在眾多可能實(shí)現(xiàn)電能無線輸送的方法當(dāng)中，磁耦合諧振式無線電能傳輸是一項(xiàng)比較新的方案，但具有傳輸過程更加安全可靠的優(yōu)點(diǎn)[3]，因此具有極其光明的技術(shù)前景，有望改變?nèi)祟愇磥淼纳罘绞絒4－5]。

2 技術(shù)原理

2.1 磁耦合諧振技術(shù)

通過磁場(chǎng)耦合電磁諧振的方式，可進(jìn)行中、短距離的無線電能傳送。在實(shí)際工作中，有著相同大小的固有頻率的線圈以磁場(chǎng)為載體互相耦合，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，傳輸長度范圍大約在5厘米到2米之間，并能穿越非磁性物質(zhì)材料。

以這一方式具體可以實(shí)現(xiàn)的有效傳遞距離與諧振頻率有很大關(guān)系。電能以磁場(chǎng)為介質(zhì)通過諧振也可以將能量高效率傳輸?shù)较鄬?duì)遠(yuǎn)一點(diǎn)的位置，磁耦合諧振式無線電能傳輸由此得名，其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)原理圖

圖中，s為一次側(cè)線圈，a為一個(gè)交流高頻電路，d為接收端設(shè)備線圈，b為電阻負(fù)載電燈。適當(dāng)?shù)碾娫搭l率使得線圈s和d通過電路中電感和補(bǔ)償電容在系統(tǒng)中發(fā)生共振，電能以高頻交流電的形式傳到發(fā)射線圈s。由于發(fā)射端和二次側(cè)接收端有著同樣的諧振頻率，發(fā)射線圈與接收線圈產(chǎn)生諧振，使得接收與負(fù)載電路b通電，完成電能傳遞。K、KS與KD都是用來表示不同距離上的磁耦合諧振系數(shù)。

在空間中的兩個(gè)相距一定距離的LC線圈，彼此之間的耦合很弱。但假若兩個(gè)系統(tǒng)諧振頻率一樣，則會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的耦合諧振，組成另一個(gè)新的電磁諧振電路。拓展到更多諧振線圈，在一定的使能距離上，同樣可以加到這個(gè)系統(tǒng)中來。倘若存在著電源持續(xù)地給此諧振系統(tǒng)供電，負(fù)載側(cè)消耗些許能量，便可維持此能量傳遞過程持續(xù)進(jìn)行。

在一次側(cè)和二次側(cè)加入品質(zhì)因數(shù)較高的RCL諧振電路是這種傳輸方式的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，起到的作用是分別構(gòu)成發(fā)射和接收諧振電路。磁場(chǎng)耦合與電路的諧振是該技術(shù)能夠進(jìn)行能量傳輸?shù)膬蓚€(gè)不可缺少的條件，而磁場(chǎng)耦合的效果和程度和一次側(cè)、二次側(cè)線圈在空間的位置相關(guān)[6－9]。

2.2 電路模型理論分析

運(yùn)用基爾霍夫的回路概念出發(fā)，搭造諧振電能傳送系統(tǒng)模型如圖2所示。依據(jù)互感參數(shù)將一次側(cè)、二次側(cè)線圈耦合起來。按照基爾霍夫定律列出電路方程，即可對(duì)無線電能傳送系統(tǒng)的能量傳遞效率及功率定量分析。

圖2 諧振電能傳輸系統(tǒng)模型

圖2模型的等效電路圖如圖3所示。圖中：Us接近理想電壓源；L1、L2為一、二次側(cè)線圈；R1、R2為高頻下寄生電阻；RL為負(fù)荷電阻；C1、C2是一、二次側(cè)電路調(diào)諧電容；I1、I2是發(fā)射、接收電路中的電流；M為兩線圈之間的互感。

圖3 諧振電能傳輸系統(tǒng)等效電路

電路工作時(shí)，諧振在發(fā)射端回路和接收端回路中發(fā)生，當(dāng)達(dá)到電磁共振條件時(shí)，無線電能傳遞效率達(dá)到最大值[10]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在上述理論的基礎(chǔ)上，實(shí)際搭建硬件系統(tǒng)。硬件部分包括直流電源、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)發(fā)生電路、發(fā)射與接收電路、整流電路及負(fù)載等。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖

對(duì)系統(tǒng)各主要部分的硬件設(shè)計(jì)考慮歸納如下：

(1)逆變電路設(shè)計(jì)

由于振蕩電路的輸出電流和電壓很小，有時(shí)需要在振蕩電路和MOS管輸出電路之間添加一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。常用的高頻率逆變電路包括：半橋逆變電路、正激逆變電路、全橋逆變電路、反激逆變電路、E類逆變電路等[11]，應(yīng)按具體設(shè)計(jì)要求加以選用。

(2)發(fā)射、接收線圈設(shè)計(jì)

此處發(fā)射回路被設(shè)計(jì)為串聯(lián)式諧振電路，此結(jié)構(gòu)較為便于分析。在接收到逆變電路發(fā)射過來的高頻交流電后，發(fā)射線圈需要最大限度地將交流電能轉(zhuǎn)化為空間發(fā)射的磁場(chǎng)能量；而接收線圈則需要最大限度地將空間的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為高頻的交流電。這就需要線圈一次側(cè)與二次側(cè)的磁耦合諧振。二次側(cè)接到整流裝置與濾波電路中，可以使負(fù)載得到接近直流的電能。可依據(jù)實(shí)際傳輸效果選擇是否添加穩(wěn)壓二極管。

(3)整流電路設(shè)計(jì)

整流電路、濾波電路與穩(wěn)壓電路共同構(gòu)成整流調(diào)壓系統(tǒng)。在無線電能傳輸系統(tǒng)中，二次側(cè)接收由磁場(chǎng)諧振傳來的高頻交流電能時(shí)，需要整流AC/DC模塊來改變電流的性質(zhì)，然后將直流電接到適用的負(fù)載上。

全橋整流電路能在交流電壓的全部周期上進(jìn)行整流。其輸出電壓相對(duì)較高、脈動(dòng)較小，電路效率高，也可以提供二極管保護(hù)。在此即采用全橋整流電路作為系統(tǒng)的整流電路。

(4)濾波電路設(shè)計(jì)

作為整流調(diào)壓系統(tǒng)的另一構(gòu)成部分，濾波電路的作用是將整流過來的電流進(jìn)行再次處理。由于電流經(jīng)過整流后會(huì)產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致直流電不平穩(wěn)，其帶有的諧波分量會(huì)損毀直流負(fù)載，因此需要加入濾波電路，使負(fù)載側(cè)得到相對(duì)平穩(wěn)的直流電。

濾波電路分為有源濾波和無源濾波。無線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)電壓信號(hào)處置精度要求不高，可以忍受信號(hào)波動(dòng)；而有源濾波強(qiáng)調(diào)對(duì)信號(hào)處理的精度。因此在此使用無源濾波電路作為整流模塊。

(5)穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路的選用要視濾波電路后的具體的電壓波形而定。如果經(jīng)過濾波電路的電壓波形還是存在瑕疵，則需要在負(fù)載兩端加上穩(wěn)壓電路。如果濾波后的電壓波形相對(duì)理想，同時(shí)考慮到穩(wěn)壓二極管的功耗會(huì)降低系統(tǒng)傳輸效率，此處也可考慮省去穩(wěn)壓電路。

4 仿真驗(yàn)證

基于上述硬件設(shè)計(jì)，使用PSpice軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證諧振與非諧振兩種情況下的電壓電流波形以及能量傳輸效率[12-13]。在仿真中，系統(tǒng)諧振頻率設(shè)置為1.5MHz。部分仿真結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可見，在諧振情況發(fā)生時(shí)，一次側(cè)線圈電壓接近100V，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是串聯(lián)諧振系統(tǒng)呈純阻性，體現(xiàn)出去電路的升壓作用，使得電壓波形良好，據(jù)觀察相當(dāng)接近于正弦波。仿真中，二次側(cè)線圈電壓10.5V，負(fù)載功率穩(wěn)定在2.1W。當(dāng)改變條件使二次側(cè)非諧振時(shí)，線圈電壓最大值只有5.5 V，負(fù)載功率穩(wěn)定時(shí)只有500 mW，說明系統(tǒng)在諧振時(shí)傳遞能量快，在單位時(shí)間內(nèi)一、二次側(cè)電路諧振時(shí)傳遞能量多，系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)能量傳輸效率最大，完全符合理論預(yù)期。

圖5 PSpice仿真波形

5 結(jié)束語

基于對(duì)原理的簡(jiǎn)介，對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸方法進(jìn)行了簡(jiǎn)明扼要的描述，研究涵蓋相關(guān)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重點(diǎn)并隨之進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中考慮到的預(yù)期規(guī)律在仿真中得到了印證。在使用同類方法的具體設(shè)計(jì)過程中，可針對(duì)每一具體設(shè)計(jì)目標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)合仔細(xì)論證，靈活調(diào)整。無線電能傳輸技術(shù)尚有長遠(yuǎn)的發(fā)展道路要走，本研究可為這一劃時(shí)代科技探索歷程提供些許參考。