無線充電器的研究與設計

丁成功，梅自強，王升鴻

(工業和信息化部電子第五研究所，廣州510610)

隨著用電設備對供電質量、安全性、可靠性、方便性、即時性、特殊場合、特殊地理環境等要求的不斷提高，使得接觸式電能傳輸方式越來越不能滿足實際需要［1］。因此，開發出一套具有能夠無線傳輸電能、傳輸效率高、設備體積小、便于攜帶和集成等優點的無線電能傳輸系統，將會成為21世紀最具魅力的科研方向之一。

1 無線電能傳輸基本原理

無線電能傳輸技術由物理學家尼古拉·特斯拉于1890年提出。按照電能傳輸原理的不同，無線電能傳輸可劃分為電磁感應式、電磁共振式和電磁輻射式 3 種方式［2］。

1.1 電磁感應式無線電能傳輸原理

電磁感應式無線電能傳輸系統，通常采用非接觸變壓器耦合的方式來進行無線電能傳輸。即將系統的變壓器緊密型耦合磁路分開，變壓器原邊繞組流過的是高頻交流電，通過原、副邊繞組的電磁感應，將電能傳輸到副邊繞組給用電設備供電，實現了電能在電源和用電設備之間進行無線傳輸［2］。

1.2 電磁共振式無線電能傳輸原理

電磁共振式無線電能傳輸系統，通常采用兩個相同頻率的諧振體來產生很強的相互耦合，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實現能量的無線傳輸。2007年6月，麻省理工大學的物理學助理教授馬林·索爾賈希克和他的研究團隊做了一個實驗，給一個直徑60 cm的線圈通電，結果1.9 m之外連接在另一個線圈上的60 W燈泡被點亮了。這個實驗說明發送端和接收端的線圈組成一個磁共振系統，當發送端的磁場振蕩頻率和接收端線圈的固有頻率相同時，接收端產生共振，從而實現了能量的無線傳輸。其消耗的電能只有傳統電磁感應供電技術的百萬分之一，有效傳輸距離為幾十厘米到幾米，所以這種傳輸形式適用于中程無線電能傳輸。

1.3 電磁輻射式無線電能傳輸原理

電磁輻射式無線電能傳輸系統，采用微波波段進行電能的無線傳輸。由電源發出電能，通過微波轉換器將工頻交流電變換成微波，再通過發射站的微波發射天線送到空間，然后傳輸到地面微波接收站，接收到的微波通過轉換器將微波變換成工頻交流電，供用戶使用。微波是波長介于無線電波和紅外線之間的電磁波，由于頻率較高，能順利通過電離層而不反射，宇宙空間對微波傳輸十分理想，幾乎沒有能量損耗，通過大氣層時的損耗約為2%，因此電磁輻射式無線電能傳輸系統具有更高的電能傳輸效率，適合遠距離無線電能傳輸。

2 電磁感應式無線充電器整體設計

典型的電磁感應式無線電能傳輸系統原理框圖如圖1 所示［3］。

圖1 電磁感應式無線電能傳輸系統原理框圖

電磁感應式電能傳輸系統主要由能量變換部分、能量發射部分和能量接收部分組成。輸入的交流電經過整流、濾波、穩壓變為直流電，通過高頻逆變器進行逆變，逆變所產生的高頻交變電流輸入分離式變壓器的初級線圈，與次級線圈耦合，從而產生感應電動勢，然后通過高頻整流濾波后為負載供電。本文利用電磁感應式電能傳輸原理設計的無線充電器主體硬件電路如圖2所示［4－5］。

圖2 無線充電器主體硬件電路圖

2.1 發射電路設計

發射電路原理如圖3所示。電路主要由振蕩信號發生器和諧振功率放大器兩部分組成。利用NE555構成振蕩頻率約為400 kHz的信號發生器，為功放電路提供激勵信號;諧振功率放大器由LC并聯諧振回路和開關管Q1構成。當功率放大器的選頻回路的諧振頻率與激勵信號頻率相同時，功率放大器發生諧振，此時線圈中的電壓和電流達到最大值，從而產生最大的交變電磁場［6］。

2.2 接收電路設計

圖3 發射電路

接收電路原理如圖4所示。當接收線圈與發射線圈靠近時，在接收線圈中產生感應電動勢。當接收線圈回路的諧振頻率與發射線圈的諧振頻率相同時，感應電壓達到最大值。當發射線圈回路與接收線圈回路均處于諧振狀態時，系統具有最好的能量傳輸效率［7］。

圖4 接收電路

2.3 充電電路設計

本文利用電源管理芯片3717設計了具有涓流、恒流、過充電和浮充電4種工作模式的充電電路，充電電路原理如圖5所示。

圖5 充電電路原理圖

電路處于恒流充電模式時，充電電流的大小由連接于CSP管腳和BAT管腳之間的電流檢測電阻來設置;電路處于過充電和浮充電模式時，由外部電阻構成的分壓網絡設置充電電壓。當輸入電壓過低時充電電路進入睡眠狀態。當輸入電壓大于啟動電壓6 V時，充電電路開始對蓄電池充電。分壓電阻R6和R7將蓄電池端的電壓反饋到芯片的FB管腳，芯片根據FB管腳反饋回來的電壓值來確定進入何種充電模式。當FB管腳的電壓接近3.6 V時，芯片工作于過充電狀態。如果蓄電池電壓低于所設置的過充電電壓的81.8%時，充電電路自動進入涓流充電模式，此時充電電流為所設置的恒流充電電流的13%。當蓄電池電壓大于所設置的過充電電壓的81.8%時，充電電路進入恒流充電模式。本文設計的充電電路設置的充電壓為5 V，可以為生活中常用的大多數電子設備進行充電［8］。

3 測試結果

輸入電壓為220 V/50 Hz，當諧振頻率為510 kHz時，測試得到的充電器輸出性能參數如表1所示。

表1 充電器輸出性能參數

4 結論

本文利用電磁感應式無線電能傳輸原理設計了一種無線充電器。通過測試表明，該充電器在短距離內，可以實現電能的高效率傳輸。而且該充電器的充電電路與文獻中給出的電路相比，具有比較大的優越性和先進性。后續需要在如何對電能加密和解密方面以及基于無線充放電技術的電動汽車與智能電網的互動技術等方面進行深入研究，以期能夠在技術上創造新的突破。

［1］肖志堅，韓震宇，李紹卓.關于便攜式電子設備新型無線充電系統的研究［J］.自動化技術與應用，2007，26(12):114 －116.

［2］常書惠.無線電能傳輸技術與 Qi標準［J］.電子商務，2011(4):73－74.

［3］翟淵，孫躍，戴欣，等.磁共振模式無線電能傳輸系統建模與分析［J］.中國電機工程學報，2012，32(12):155 －160.

［4］姚小平.電能無線傳輸應用方案［J］.制造業自動化，2011，33(24):62－65.

［5］胡繼勝，李福林.一種非接觸式供電系統設計［J］.電器與儀表，2011，48(3):75 －78.

［6］周功明，周陳琛.基于MSP43O單片機的無線充電器設計［J］.綿羊師范學院學報，2011，30(8):33 －37.

［7］柏楊.基于超聲波的無線電能傳輸的研究［J］.壓電與聲光，2011，33(2).

［8］丁成功.智能風光互補逆變器電源的研究與設計［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2012.