無(wú)線功率傳輸?shù)谋銛y性設(shè)備應(yīng)用

彭若晨，閆妍

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

無(wú)線功率傳輸?shù)谋銛y性設(shè)備應(yīng)用

彭若晨，閆妍

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

為了使無(wú)線功率傳輸在給多個(gè)設(shè)備充電時(shí)不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備，例如實(shí)驗(yàn)移動(dòng)設(shè)備（如移動(dòng)手機(jī)）放在無(wú)線傳輸設(shè)備附近能夠?qū)崿F(xiàn)充電，可以通過(guò)改變手機(jī)等設(shè)備的位置，角度，離發(fā)射設(shè)備的距離等實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。為了這解決了長(zhǎng)期以來(lái)的兼容性難題，擬用電容性電能傳輸（CPT），應(yīng)用AD-DC，DC-AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的充電。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，無(wú)論是整流橋還是偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過(guò)采用開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能提高無(wú)線功率傳輸效率90%。

無(wú)線傳輸；磁耦合；功率發(fā)射器；AC/DC

由于顧客便捷性的充電需求，很多公司加入了于2008年成立的無(wú)線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC），并建立了一個(gè)通用的無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn) （QI）。該標(biāo)準(zhǔn)使得不同型號(hào)，不同國(guó)家，不同電源需求的手提設(shè)備可以共用一個(gè)電源,多個(gè)設(shè)備在充電時(shí)不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備，這解決了長(zhǎng)期以來(lái)的兼容性難題。但是僅WPC標(biāo)準(zhǔn)下的功率傳輸效率不高，研究目標(biāo)在于減少電能的無(wú)線傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)為小功率的便攜移動(dòng)設(shè)備電池進(jìn)行充電。

1 通過(guò)電磁耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸及其優(yōu)點(diǎn)

盡管聲耦合和光耦合也在發(fā)展，但是電磁耦合是最有效率的。傳統(tǒng)的感性傳輸技術(shù)（IPT）存在明顯的局限性。因?yàn)橛衅洳荒艽┻^(guò)金屬屏障，傳輸效率低，易受電磁干擾等缺陷。而基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線電力傳輸，通過(guò)共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道，能實(shí)現(xiàn)通道間的遠(yuǎn)距離能量傳輸，通過(guò)優(yōu)化功率變換電路及無(wú)功功率的補(bǔ)償，可以盡最大可能地提高能量傳遞效率，從而有效地傳輸能量。實(shí)驗(yàn)研究了電感螺線圈直徑和傳輸裝置電路開(kāi)關(guān)管工作時(shí)間對(duì)傳輸功率的影響[1]。我們團(tuán)隊(duì)擬用電容性電能傳輸（CPT），應(yīng)用AC-DC，DC-AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的充電。

無(wú)線容性功率傳輸（CPT）技術(shù)是最近被人們提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對(duì)耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁感應(yīng)的特點(diǎn)可以降低功耗，在某些功率水平，元件可以使用最小化電容結(jié)構(gòu)。因此CPT最顯著的優(yōu)勢(shì)是它的低功率損耗，成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個(gè)優(yōu)選的解決方案。出于這個(gè)原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無(wú)線牙刷充電器，或無(wú)線手機(jī)充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點(diǎn)。

對(duì)于感性傳輸技術(shù)來(lái)說(shuō)，CPT有以下特點(diǎn)：

1)CPT是基于電場(chǎng)耦合的，所以需要在耦合板上提供高頻的AC電壓。

2)一個(gè)完整的CPT系統(tǒng)至少含有兩對(duì)耦合板以提供電源和接收器之間的完整的循環(huán)電流。

3)當(dāng)耦合板間有金屬屏障時(shí)，這種耦合可被認(rèn)為是兩個(gè)電容的串聯(lián)，這意味著CPT能夠通過(guò)金屬屏障來(lái)傳輸能量。

4)相比于IPT來(lái)說(shuō),CPT系統(tǒng)因?yàn)榇蠖鄶?shù)電場(chǎng)封閉在連接板體積內(nèi)，電磁輻射干擾和功率損耗可被大大減少。

5)除去了重而昂貴的磁性材料和線圈，電路的尺寸可被減小。無(wú)線電池充電器的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 無(wú)線電池充電器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Wireless battery charger structure

功率發(fā)射器連接在電網(wǎng)上，功率接收器集成在移動(dòng)設(shè)備上。功率發(fā)出和功率接受是靠磁耦合。經(jīng)過(guò)AC-DC和DCAC轉(zhuǎn)換，發(fā)出功率在合理控制共振箱的基礎(chǔ)上再由AC-DC轉(zhuǎn)換為直流電壓為電池充電。耦合諧振式無(wú)線供電技術(shù)這種新型的供電方式不但可以使無(wú)線供電的距離提升到米級(jí)范疇,突破了無(wú)線能量傳輸距離這個(gè)瓶頸,同時(shí)還會(huì)分離開(kāi)用電設(shè)備與供電設(shè)備之間的物理連接,這樣在提高用電設(shè)備的美觀,實(shí)用性的同時(shí),還可以改善用電設(shè)備的安全性[2]。

無(wú)線容性功率傳輸（CPT）技術(shù)最近有人提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對(duì)耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁根據(jù)需要與不縮小降低功耗，在某些功率水平，成本和尺寸的電隔離元件可以與被最小化電容接口。因此最顯著CPT的優(yōu)勢(shì)是它的低功率水平的成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個(gè)優(yōu)選的解決方案。出于這個(gè)原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無(wú)線牙刷充電器，或無(wú)線手機(jī)充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。印刷和MEMS技術(shù)[13]在應(yīng)用程序CPT表明承諾的進(jìn)步，這些驗(yàn)收技術(shù)在消費(fèi)電子應(yīng)用。

2 使用開(kāi)關(guān)電源提高功率效率

在以往的結(jié)構(gòu)中，功率效率是通過(guò)電阻調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，它引入了一個(gè)嚴(yán)重降低效率且平行于橋式整流器電阻負(fù)載。交流-直流整流器是由一個(gè)全波整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這樣的電路中，功率效率在很大程度上受這兩種傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。此外，功率效率受偏置電路中功率損失的影響。最重要的是能為一些特殊場(chǎng)合帶來(lái)更方便的供電，如水下檢測(cè)、油田礦井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合諧振式無(wú)線供電技術(shù)具有良好的應(yīng)用價(jià)值和研究意義[3]。

改進(jìn)設(shè)計(jì)，無(wú)論是整流橋和偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過(guò)采用開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)。另外，接收器架上的MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻，因此與使用二極管和電阻的常規(guī)系統(tǒng)相比，功率損耗被嚴(yán)重降低。

3 技術(shù)路線

3.1 基于電容耦合的非接觸電能傳輸技術(shù)(CPT)

遠(yuǎn)距離功率傳輸?shù)年P(guān)鍵問(wèn)題是減少損耗，提高效率，就目前的科技水平，即使是近距離傳輸?shù)男室搽y以與有線傳輸相比，所以感性傳輸技術(shù)顯得尤為重要。根據(jù)需要，參考了兩種耦合結(jié)構(gòu)，它們都由兩對(duì)金屬板組成，每對(duì)金屬板間的耦合距離為1 mm。

圖2所示為碟形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)圓盤形成了一對(duì)耦合板，下面的圓盤靜止不動(dòng)并連在輸入電源上，上面的圓盤旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負(fù)載上。

圖2 碟形耦合結(jié)構(gòu)Fig.2 Disc coupling structure

圖3 所示為柱形結(jié)構(gòu)，圓柱1和2形成了一對(duì)耦合板，圓柱3和4形成了另一對(duì)。兩個(gè)外部的圓柱靜止不動(dòng)并連在輸入電源上，兩個(gè)內(nèi)部的圓柱旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負(fù)載上。

圖3 圓柱形結(jié)構(gòu)Fig.3 Cylindrical structure

可以證明，對(duì)于上述結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩對(duì)耦合板的耦合面積相等且板的總面積保持相同時(shí)，總的等效電容達(dá)到最大值。設(shè)計(jì)負(fù)載由多個(gè)最大阻值為1.3 Ω的傳感器組成，其結(jié)果是，柱形結(jié)構(gòu)的等效電容最大值是碟形結(jié)構(gòu)的三倍，因此選用柱形結(jié)構(gòu)作為優(yōu)先型[4]。典型的基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)如圖4所示,直流輸入電壓Edc經(jīng)過(guò)功率逆變器變換成高頻交流電壓,并作為原邊金屬板的輸入電壓,當(dāng)副邊的兩塊金屬板與之鄰近且存在電位差的時(shí)候,原邊的交變電場(chǎng)就會(huì)對(duì)副邊金屬板產(chǎn)生感應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)耦合并向負(fù)載Rl供能[5]。

圖4 無(wú)觸點(diǎn)電力傳輸系統(tǒng)Fig.4 Non-contact power transmission system

CPT系統(tǒng)的電路拓?fù)淙鐖D5,在原邊,直流電源Edc與直流電感Ld共同組成準(zhǔn)電流源,S1～S4構(gòu)成高頻能量變換環(huán)節(jié),通過(guò)與這兩個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)180°交互導(dǎo)通。這兩對(duì)開(kāi)關(guān)管通過(guò)ZVS (zero voltage switching)的工作方式進(jìn)行切換,即通過(guò)檢測(cè)Vcp的過(guò)零點(diǎn)來(lái)完成開(kāi)關(guān)對(duì)的切換過(guò)程,實(shí)現(xiàn)正反向兩種能量注入模式。由于切換過(guò)程在過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行,其開(kāi)關(guān)切換損耗在理論上為零。在電路中,CS的等效串聯(lián)電阻ESR如下：

圖5 CPT系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 CPT system topology

根據(jù)以上分析,通過(guò)將逆變網(wǎng)絡(luò)輸出端電路(虛線)看出二端口網(wǎng)絡(luò),可以建立諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電路,如圖6所示。

圖6 諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電路Fig.6 The equivalent circuit of the resonant network

在電路中,Cp構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),CS2為原副邊電容耦合板的等效電容,調(diào)諧電感LS與CS1、CS2構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。

3.2 開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。 開(kāi)關(guān)電源可以分為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器和非隔離 式DC/DC轉(zhuǎn)換器。簡(jiǎn)單地說(shuō),開(kāi)關(guān)電源的工作原理如下:

1)交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;

2)通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;

3)開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載。

4)輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。

在功率相同時(shí),開(kāi)關(guān)頻率越高,開(kāi)關(guān)變壓器的體積就越小,因而，與普通開(kāi)關(guān)相比，開(kāi)關(guān)電源可以用較小的體積實(shí)現(xiàn)較大的功率傳輸，且損耗較小。并通過(guò)將這種方法應(yīng)用到實(shí)際ICPT系統(tǒng)中以驗(yàn)證該方法的有效性[6]。

與線性電源相比，PWM開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)關(guān)電源伯特圖脈沖的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線功率傳輸作為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，有著廣闊的前景和應(yīng)用背景。會(huì)對(duì)人類未來(lái)的能源傳輸方式產(chǎn)生變革式的影響。其特點(diǎn)是損耗小，安全，方便，可以在特殊情況下使用。需要解決的問(wèn)題是感性傳輸技術(shù)和開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用，提高效率，改善結(jié)構(gòu)。

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

[2]竇延軍.一種磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2013.

[3]周甜,萬(wàn)隆君,徐軼群.磁耦合諧振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)特性研究[J].中國(guó)科技信息,2012(24):43-44.

ZHOU Tian,WANG Long-Jun,XU Yi-qun.Magnetically coupled resonant wireless energy transmission system characteristics[J].China Science and Technology Information, 2012(24):43-44.

[4]黃學(xué)良,吉青晶,譚林林,等.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)串并式模型研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(3):171-176.

HUANG Xue-liang,JI QING-jing,TAN Lin-lin,et al.Magnetically coupled resonant wireless power transmission system and style string model[J].China Electrotechnical Society,2013,28(3):171-176.

[5]冀文峰,薛臥龍,王學(xué)通，等.無(wú)線電能傳輸發(fā)射模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2013(11):85-89.JI Wen-feng,XUE Wo-long,WANG Xue-tong,et al.Radio transmitter module can transmit optimal design[J]Electrical Engineering Technology,2013(11):85-89.

[6]李硯玲.基于μ綜合的ICPT系統(tǒng)魯棒控制研究 [D].重慶：重慶大學(xué),2012.

Portable w ireless power transm ission device application

PENG Ruo-chen,YAN Yan
（Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China）

In order to make the wireless power transmission device is no longer needed the power supply line and a large charging devices,e.g.,test mobile devices(e.g.mobile phone)in the vicinity of the wireless transmission equipment can achieve charging,mobile phones and other devices by changing the position of,angle,distance from a transmitting device for wireless charging.In order to solve this long-standing problem of compatibility,we could use the capacitive power transmission(CPT), the application AD-DC and DC-AC converter technology of the mobile device charging.By improving the design,whether it is the Rectifier Bridge or bias network,we are to improve efficiency through the use of switching power supply.This solution is more suitable than the conventional architecture of an integrated circuit(IC)implementation.Experimental application reveals that the system can improve efficiency of wireless power transmission of 90%.

wireless transmission;magnetic coupling;power transmitter;AC/DC

TN919

A

1674－6236（2015）10-0083-03

2015-03-16 稿件編號(hào)：201503208

彭若晨(1994—)，男，河北曲陽(yáng)人。研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。