磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置設計

李婉婉，李 宏（寧波大學　信息科學與工程學院，浙江　寧波 315211）

磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置設計

李婉婉，李 宏
（寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波 315211）

介紹了一種以電感電容并聯(lián)諧振（以下簡稱LC并聯(lián)諧振）電路為核心的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的設計并對裝置進行了測試及結(jié)果分析。裝置由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成，發(fā)射部分由LC并聯(lián)諧振回路和驅(qū)動電路組成；接收部分將線圈電磁感應產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過整流和濾波后輸出直流電壓。測試結(jié)果為：當兩線圈間距為10 cm時能夠達到 34%的最大傳輸效率；當輸入回路電流不大于1 A且保證負載LED燈不滅時，兩線圈最大間距為52 cm。

無線電能傳輸；磁耦合；并聯(lián)諧振；傳輸效率

0　引言

無線電能傳輸技術(shù)曾被美國《技術(shù)評論》雜志評定為未來十大科研方向之一［1］，其發(fā)展受到了國際社會的廣泛關(guān)注。無線電能傳輸技術(shù)主要分為三類［2］：電磁感應式無線電能傳輸技術(shù)、基于微波的無線電能傳輸技術(shù)和耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)。2006年 MIT研究小組在美國AIP論壇上提出基于強耦合理論的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，并于 2007年通過實驗進行了驗證，以40%的傳輸效率成功點亮了 2 m以外的60 W 燈泡［3］。該技術(shù)具有傳輸效率高、距離遠、傳輸功率大等優(yōu)點，為中程無線電能傳輸?shù)难芯块_辟了一個新的方向。

目前多數(shù)無線電能傳輸裝置是基于LC串聯(lián)諧振的耦合模型，但在實際系統(tǒng)中發(fā)射端往往采用并聯(lián)諧振電容的連接方式，這種方式只得到了部分學者的初步研究。本文介紹一種以LC并聯(lián)諧振回路為核心的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的設計，并對該裝置進行了測試，測試結(jié)果能夠滿足設計要求。

1　系統(tǒng)總體設計

磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置電路設計的示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由發(fā)射端線圈諧振回路和接收端線圈諧振回路組成。發(fā)射端包括發(fā)射端諧振線圈及與其并聯(lián)的電容構(gòu)成諧振回路，驅(qū)動電路提供大電流；接收端包括接收端諧振線圈及與其并聯(lián)的電容構(gòu)成諧振回路，以及消耗能量的負載。

圖1　系統(tǒng)電路設計示意圖

2　單元電路分析與設計

2.1LC并聯(lián)諧振模型分析

根據(jù)磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的相關(guān)理論［4］，傳輸系統(tǒng)的諧振耦合電路模型如圖2所示。其中Uin為高頻發(fā)射源輸入電壓有效值，R1、R2分別為兩諧振線圈在高頻下的寄生電阻，L1、L2分別為諧振電感，C1、C2分別為諧振電容，RL為負載電阻，M為兩線圈之間的互感，D為兩線圈之間的距離。

圖2　諧振耦合電路模型

設傳輸系統(tǒng)的諧振角頻率為ω，發(fā)射端線圈電流有效值為I1，接收端線圈電流有效值為I2，負載電流有效值為IL。經(jīng)計算，當發(fā)射端、接收端兩線圈均處于自諧振狀態(tài)時，有：

系統(tǒng)的傳輸效率為：

Q為線圈的品質(zhì)因數(shù)，可以明顯看出線圈的品質(zhì)因數(shù)越高，系統(tǒng)的效率越大。提高系統(tǒng)輸入電壓 Uin、諧振頻率f、互感M能有效提高系統(tǒng)輸出功率。但在實際應用中，輸入電壓和諧振頻率還要受到器件的限制。當采用開關(guān)電路產(chǎn)生高頻驅(qū)動信號時，輸入電壓有效值與驅(qū)動信號占空比有關(guān)。由式（3）可知，系統(tǒng)的傳輸效率主要取決于互感M和線圈的品質(zhì)因數(shù)Q。線圈互感系數(shù)計算公式為：

其中，u0為真空磁導率，n為線圈匝數(shù)，r為線圈半徑，D為線圈間距。因此，在輸入直流電壓和線圈參數(shù)（包括線圈半徑、線徑、匝數(shù)）確定時，可以把系統(tǒng)負載功率和傳輸效率的影響因子簡化為三個部分：系統(tǒng)諧振頻率、驅(qū)動信號占空比和線圈間距。

2.2驅(qū)動電路設計

首先信號源設計以 FPGA為核心，F(xiàn)PGA具有速度快、精度高的特點。Verilog語言編寫程序產(chǎn)生 PWM波，并通過按鍵對PWM波的頻率和占空比進行步進調(diào)整。但由于信號源產(chǎn)生的PWM波電壓較小，不足以驅(qū)動MOS管，因此發(fā)射部分需要設計驅(qū)動電路使LC并聯(lián)諧振。本設計采用專用的驅(qū)動芯片 IR2110作為 MOS管IRF3710的驅(qū)動芯片。驅(qū)動電路如圖3所示。其優(yōu)點是速度快，電路穩(wěn)定，放大效果好，外圍電路設計簡單，使用方便。

圖3　MOSFET驅(qū)動電路

2.3穩(wěn)壓電路

采用 LM2576開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片構(gòu)成穩(wěn)壓電路，電路連接如圖4所示?？梢詫⑤斎氲?5 V電壓穩(wěn)定在5 V輸出，用于為 FPGA供電。

圖4　穩(wěn)壓電路原理圖

2.4整流濾波電路

單相橋式整流電路由肖特基二極管組成，正向壓降低，適合速度高的電路。

電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容即構(gòu)成電容濾波電路，如圖5所示。濾波電容容量較大，因而一般采用電解電容。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。

圖5　整流濾波電路

3　測試方案及結(jié)果分析

3.1測試儀器

系統(tǒng)測試所用儀器如表1所示。

表1　測試儀器

3.2數(shù)據(jù)測試

（1）線圈直徑20 cm，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離 x=10 cm，通過調(diào)節(jié)可變電阻器使接收端輸出直流電流近似為0.5 A，用數(shù)字萬用表測輸出直流電壓 U2，保證U2≥8 V，將高精度數(shù)字萬用表串在發(fā)射端電路中，測出輸入電流I1，即可計算出該無線電能傳輸裝置的效率（U1為輸入端電壓，I2為輸出電流）；調(diào)節(jié)PWM占空比，諧振頻率，使η值盡可能大。

用示波器接發(fā)射線圈的感應電壓測試端口，數(shù)字萬用表測量輸入和輸出電壓，臺式數(shù)字萬用表測量輸入和輸出電流，結(jié)果如表2所示。

表2　效率測試數(shù)據(jù)記錄表

結(jié)論：在兩線圈間距為 10 cm時，效率最高可以達到34.2%。

（2）輸入直流電壓 U1=15 V，輸入直流電流不大于 1 A，接收端負載為 2只串聯(lián)LED燈（白色、1 W）。在保持LED燈不滅的條件下，測量發(fā)射線圈與接收線圈間最大距離。

測試結(jié)果及分析：將接收線圈拉遠，此時調(diào)節(jié) PWM波的頻率和占空比，當頻率為74.85kHz時，電流為0.978 3 A，此時 LED燈剛好能亮，兩線圈間距最大為52 cm。

也可以接入中繼線圈，中繼線圈也是LC并聯(lián)諧振回路，并且諧振頻率和發(fā)射、接收回路相同。適當調(diào)節(jié)中繼線圈在發(fā)射和接收線圈之間的距離，使得LED剛好亮，此時發(fā)射和接收線圈的間距最大為58 cm。

4　結(jié)論

本設計裝置由發(fā)射部分和接收部分構(gòu)成。驅(qū)動電路的信號源以FPGA為核心器件產(chǎn)生PWM波；由IR2110芯片將TTL電平放大驅(qū)動MOS管，實現(xiàn)DC到AC轉(zhuǎn)換。接收部分將接收線圈感應產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過單相橋式整流和濾波電路實現(xiàn)AC到DC的轉(zhuǎn)換。裝置整體由15 V外接電源供電，采用穩(wěn)壓電路提供 5 V的FPGA電源電壓。經(jīng)過實驗測試，線圈距離為 10 cm時能夠達到的最大效率為34%；當輸入電流不大于1 A且保證LED燈不滅時，兩線圈距離最大為 52 cm，通過中間串插 LC并聯(lián)回路（中繼線圈）將距離增大至 58 cm。裝置能夠較好地達到設計要求，與理論分析相一致。

［1］張茂春，王進華，石亞偉.無線電能傳輸技術(shù)綜述［J］.重慶工商大學學報（自然科學版），2009，26（4）：485-488. ［2］王學通，冀文峰，薛臥龍.耦合諧振無線電力傳輸諧振頻率跟隨設計［J］.微型機與應用，2013，32（8）：58-60.

［3］KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances［J］. Science，2007，317（6）：83-86.

［4］任立濤.磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

The design of device based on magnetic coupling resonant for wireless power transmission

Li Wanwan，Li Hong
（Faculty of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

The paper introduces the design of device which is based on the LC parallel resonant circuit of magnetic coupling resonant for wireless power transmission.Further more the device is tested through experiments and there gives the analyses for the results.The device consists of the sending part and the receiving part.The sending part consists of the LC parallel resonant circuit and the driving circuit，while the receiving part can change the sine wave from electro-magnetic induction to direct voltage through the rectifying and filter circuit.The test result is that when the distance between two induction coils is ten centimeters，the transmission efficiency can reach 34%and when the input current is not more than one ampere and the LED light is on in the meanwhile，the maximum distance between the two coils is fifty two centimeters.

wireless power transfer；magnetic coupling；parallel resonance；transmission efficiency

TM724

A

1674-7720（2015）02-0032-03

（2014-08-31）

李婉婉（1993-），女，本科，主要研究方向：無線通信。

李宏（1960-），男，本科，副教授，主要研究方向：數(shù)字系統(tǒng)設計等。