無線電能傳輸的實現

趙佳勇等

摘 要：無線電能傳輸供電是不用電線連接而實現輸電的技術。本文所述的無線電能傳輸裝置依據磁耦合諧振原理，由發射模塊和接收模塊組成。發射電路通過晶體振蕩產生精準的控制頻率，并通過高壓半橋驅動芯片驅動半橋功率電路實現無線電能發射。接收電路由諧振回路和橋式整流電路組成，將交流電壓處理成直流電壓，濾波后供于負載運作。當負載采用兩個1瓦的LED燈珠串聯時，裝置可在80cm左右遠處將其點亮，實現較遠距離的無線電能傳輸。同時，在短距離內可以達到較高的傳輸效率，能夠為手電筒、mp3等小功率電子產品充電。

關鍵詞：無線電能 脈沖驅動 磁耦合諧振

隨著科學技術的發展，人類不斷探索發明新的事物去改善方便生活。電腦、手機這些電子產品已走進尋常百姓家，因其功能多樣，深受大家的喜愛。然而其充電方式依舊采用充電頭連接線，使用起來較為不便，并且接線端還不是統一規格的。如果采用無線電能傳輸技術，可以避免雜亂的連接線路，實現近距離無接觸地將電能傳輸給負載，使用起來既方便又安全。同時，在礦井、油田、水下等一些特殊的作業環境中，該技術可避免傳統電能傳輸方式帶來的潛在危險。現介紹一款小功率無線電能傳輸裝置的設計方法。

磁耦合諧振的基本原理

兩個及兩個以上通電線圈通過彼此產生的磁場相互聯系的物理現象稱為磁耦合。磁耦合的程度由通電線圈的電流大小、頻率等多方面因素決定，該程度直接決定了能量傳輸的距離和效率。磁耦合線圈中的磁通鏈有兩部分組成，一部分是自感磁通鏈，另一部分則是通電線圈之間的互感磁通鏈，并且總磁通鏈與施感電流呈線性關系，等于各施感電流獨立產生的磁通鏈疊加。因此如果兩個耦合的電感中有電流發生變動，則各電感產生的磁通鏈將隨電流變動而變動。設電感L1和L2的電壓、電流值分別為u1、i1和u2、i2，且兩者都取關聯參考方向，互感值為M，則兩耦合電感的電壓電流關系式為：

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磁耦合諧振式無線電能傳輸原理如下圖所示，

上圖中，發射線圈S與電源振蕩電路的電感A相互耦合，而接收線圈D與電阻負載電感B相互耦合，同時自諧振線圈S和D依賴其內部電感及電容的分布而達到諧振。能量通過電源振蕩電路的電感A耦合到發射線圈S，發射線圈S與接收線圈D由于具有相同的諧振頻率，在磁場的作用下產生諧振，最終接收線圈D與負載線圈B通過耦合實現能量傳遞。在此無線電能傳輸系統中，KS和KD稱為近距離耦合，而K則稱為遠距離的磁耦合諧振。

兩個及兩個以上具有相同諧振頻率的線圈（如圖1中的S與D），在間隔一定的距離時，由于線圈磁場相互耦合產生諧振，從而進行能量傳遞的過程稱為磁耦合諧振式無線電能傳輸。一般來說，兩個間隔一定距離的LC諧振線圈，相互之間產生的為弱耦合，但如果兩者具有相同的諧振頻率，則會產生電磁諧振，構成一個電磁諧振系統，同時若有多個諧振線圈也在有效范圍內，則同樣可以加入該諧振系統，如果連接電源的線圈不斷為該諧振系統提供能量（如圖1中的A），而其他線圈消耗能量（如負載B），則實現了電能的無線傳輸。之所以稱其為“磁耦合諧振”，是因為空間中進行能量交換的媒介是交變磁場，并且每個線圈的電磁諧振是由線圈中的磁場與分布電容的電場實現的。該方法的特點在于發射和接收電路中加入了高品質因素的自諧振線圈構成發射和接收裝置。

無線電能傳輸裝置結構

1、脈沖頻率的確定

頻率越高能量輻射越容易，作為無線電能傳輸，應該采用盡量高的輻射頻率。本設計中為使無線信號能夠較為高效的傳輸，考慮到場效應管的開關速度，若場效應管開關速度過高，效率將下降，同時滿足各芯片要求，最終采用256kHz頻率傳輸。由于利用的晶振電路產生8.192MHz頻率方波信號，則需利用CD4060芯片進行5分頻運作。

2.、無線電能發射模塊

依據2014年浙江省第五屆大學生電子設計競賽要求，本方案采用15V直流電源，通過兩個0.1μF、100μF電容濾波后輸入。振蕩信號從CD4060芯片7腳（Q4）上輸出256kHz的頻率脈沖。但此時脈沖的驅動能力很弱，需要經過一定的電流驅動，這里采用L6384D高壓半橋驅動芯片進行驅動。

L6384D能夠承受600V的高電壓，具有滯后和下拉的CMOS/TTL施密特觸發輸入，欠壓鎖定，掉電輸入等特點。芯片可驅動拉電流400mA，灌電流550mA，并且利用其設計的外圍電路簡單、占用空間小。L6384D的引腳數量較少，各引腳功能不同。

L6384D芯片配合半橋功率電路工作，可以起到脈沖分離的作用，將輸入的一個脈沖分成兩個脈沖輸出，并且保持兩個脈沖電位相互獨立。因L6384D芯片2腳（VCC）和8腳（VBOOT）在其內部之間設置了一個二極管，所以獨立的自舉電壓可以由該二極管提供。5端與4端為一對脈沖輸出，7端與6端為另一對脈沖輸出，7端輸出電平與1端相同，5端輸出電平與1端相反。頻率脈沖由L6384D芯片的1腳（IN）送入，通過芯片內部運作后，最終在7腳（HVG）和5腳（LVG）輸出互補的具有一定驅動能力的穩定256kHz正弦信號。同時，L6384D芯片3腳（DT╱SD）經一個56kΩ電阻接地，合理地控制兩路輸出的死區時間，當該引腳的電平低于0.5V的時候，芯片停止工作。

在15V供電電壓的情況下，功率場地效應管的開啟電壓已經足夠大，不需要另外處理，但通常在柵極串入一個10Ω電阻以限流。為了安裝調試時場效應管的工作安全，在其柵源間靠近柵極處并聯10kΩ電阻，防止柵極開路。

在這里能量提供線圈和振蕩線圈合二為一，為獲得更高的傳輸效率，LC振蕩電路采用與驅動脈沖相同的頻率信號，發射線圈為外徑20cm的空心線圈，繞3匝，測得電感值為3.4μH，根據公式：

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計算可得振蕩電路中C=120 nF。

3、無線電能接收模塊

無線電能接收與輸出電路如圖2所示，圖中L2與C9組成接收端串聯諧振網絡，與發射線圈形成磁匝耦合關系，將接收到的正弦信號經橋式整流實現AC/DC轉換，然后經過兩個0.01μF、220μF電容濾波輸出比較平穩的直流電壓，供于負載（如1瓦LED燈）運作。

接收模塊采用與發射模塊相同的諧振頻率，線圈為外徑20cm的空心線圈，繞4匝，測得電感值為4.94μH，再根據公式：

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計算得諧振電容C=82nF，實際通過多個電容并聯獲得82nF的容量。

測試與結果

當接收模塊的輸出端接上10Ω電阻負載，觀察并計算無線電能傳輸效率隨發射線圈與接收線圈距離變化的關系，如表1。

當接收模塊的輸出端接上20Ω電阻負載，觀察并計算無線電能傳輸效率隨發射線圈與接收線圈距離變化的關系，距離較近時隨兩線圈間距的增加而急劇下降，當距離較遠時下降速度變慢，如表2。

為了便于分析，將表1、表2數據繪制成散點圖。當接收模塊所接負載改變時，相同間隔距離下的傳輸效率也將發生改變。總體上，無線電能傳輸效率隨線圈間隔距離的增大而非線性地減小，當距離增加到20cm以上時，傳輸效率已經很低。

當負載改為兩個1瓦的LED燈珠串聯，裝置可在80cm左右將其點亮。

結論

基于磁耦合諧振原理，闡述了無線電能傳輸裝置的設計原理，分析了無線電能傳輸效率隨線圈間隔距離變化的關系，并且傳輸效率與接收模塊所接負載也存在一定關系。經過試驗測試，該裝置能實現較遠距離的無線電能傳輸，雖然效率降低，但依然能將80cm左右遠的燈珠點亮。在近距離時，電能傳輸效率較高，可為手電筒、mp3等低功耗電子產品供電。但針對于如何將無線電能傳輸技術更為高效地應用于高功耗的現實生活生產中，我們還有很多工作要做。

（作者單位：浙江海洋學院船舶與海洋工程學院）endprint