感應式無線電能傳輸裝置的設計

朱云龍, 余 雷, 劉文杰

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

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感應式無線電能傳輸裝置的設計

朱云龍, 余 雷, 劉文杰

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

感應式無線電能傳輸技術作為一種新型的電能傳輸技術，利用電磁諧振感應原理，實現電能在一定距離范圍內傳輸。利用電磁感應定律使得無線能量傳輸系統(tǒng)的兩個線圈在高頻下發(fā)生自諧振，提出了基于線圈耦合感應傳輸的電能無線傳輸技術，其傳輸電能的特性已達到一般要求，且實際測量數據得到的效率也還是可觀的。相對于傳統(tǒng)的接線式電能傳輸技術，該技術更加靈活、安全、可靠，能實現供電設備和用電設備之間的中程距離電能傳輸。

感應式電能傳輸； Boost變換器； 數字信號控制器

0 引 言

當前，高頻變換技術和相關控制理論發(fā)展迅速，而且某些特殊應用場合需要用到電能無線傳輸技術，這就為電能無線傳輸技術的迅速發(fā)展提供了有利條件。就目前而言，電能無線傳輸技術大致分為電磁感應電能、微波電能和諧振耦合電能傳輸技術。無線電能傳輸，即用電設備以非接觸方式從固定電網獲取電能的技術，一直是人類的夢想。

新型電能無線傳輸系統(tǒng)應用諧振感應原理實現電能的安全有效傳輸，克服了傳統(tǒng)電能傳輸中的諸多問題和不足。對該系統(tǒng)的研究不僅具有重要的科學意義，而且將開拓大量新領域研究和相關技術的發(fā)展[1-5]。磁感應諧振式無線能量傳輸技術應用前景十分廣闊，不僅可應用于電動車充電系統(tǒng)、無線傳感器網絡及射頻識別技術等方面，還在家用電器、小型移動設備、工業(yè)機器人、交通工具、航空航天、醫(yī)療器械、油田礦井、水下作業(yè)等領域有極大的應用價值，對電磁理論和充電技術的發(fā)展亦具有重要意義。但是諧振感應式無線功率傳輸作為一項新興的技術還不是很成熟，理論與實驗上的研究還不是很完善。本文根據這一技術做了一些探索性質的研究，研究感應式電能無線傳輸的原理特性與感應式無線功率傳輸技術，并得到了一些有價值的相關研究成果。

1 感應式無線功率傳輸裝置的硬件設計

1.1 感應式無線功率傳輸原理

諧振感應式電能無線傳輸的基本原理與電磁感應式基本相同(見圖1)，都是利用電磁感應定律，不同之處在于諧振感應式無線能量傳輸系統(tǒng)的兩個線圈在高頻下發(fā)生自諧振，產生以線圈為中心的以空氣為媒介的時變磁場，兩諧振線圈之間進行不斷能量交換，實現無線能量傳輸。

圖1 感應式無線功率傳輸系統(tǒng)框圖

1.2 感應式無線功率傳輸系統(tǒng)構成

諧振感應式電能無線傳輸系統(tǒng)結構圖如圖2所示，電能無線傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩大部分。發(fā)射端包括空心線圈及諧振補償電路，高頻逆變電路為線圈提供高頻正弦波電流;相隔一定距離的接收端包括另一空心線圈與諧振補償電路，以及整流濾波電路和消耗電能的負載[1-2,6]。

圖2 感應式無線功率傳輸系統(tǒng)結構

系統(tǒng)中最關鍵的就是諧振耦合電路，如圖3所示，諧振電路采用的是LC串聯(lián)方式，耦合系數擬用K=0.1。在電路中，為表示元件間耦合的松緊程度，把兩電感元件間實際的互感(絕對值)與其最大極限值之比定義為耦合系數。

圖3 諧振耦合電路

由于感應式無線功率傳輸的兩線圈間的感應介質為空氣，耦合程度很小，所以考慮K取0.1。模擬電路中兩感應電感對應實物電路中的兩感應線圈，兩電感經過測量：原邊L1=56.8 μH，副邊L2=64.5 μH。實驗做的是低頻實驗，約取頻率20 kHz。

1.3 各電路的實物圖

(1) 總電路圖。如圖4所示，首先直流電源輸出恒定的電壓12.3 V，通過逆變電路變?yōu)榻涣麟姡私涣麟娡ㄟ^耦合線圈感應，在副線圈上輸出交流電，此交流電通過整流電路變?yōu)橹绷麟姡诮涍^Boost升壓電路(調理電路)輸出直流電到蓄電池中，完成無線充電的功能[7-9]。

(2) 支架與耦合線圈。如圖5所示，支架由鋁合金材料搭建而成，線圈在支架上可自由地上下左右移動，長30 cm，寬20 cm，高18 cm。線圈是由兩塊透明板固定的，因為塑料對耦合系數的影響不大。線圈匝數：原線圈12匝，副線圈13匝，內寬11.5 cm，長19 cm，外寬15.5 cm，長23.5 cm，兩線圈間隔為5.5 cm。

圖4 總電路圖圖5 支架與線圈

(3) 逆變，整流，Boost升壓電路。如圖6所示，逆變電路的作用是將直流電轉換成方波交流電，其MOSFET的型號是75N75。整流電路采用單向全橋整流電路，將高頻交流電轉換成直流電，輸出端使用2.20 mF的電解電容進行濾波得到紋波很小的直流電壓。整流橋使用了100 V 20 A的快恢復整流二極管。

Boost升壓電路的作用通過改變MOSFET的PWM波占空比控制其輸出電壓，其中用了100 V 80 A的MOSFET，100 V 30 A的快速整流二極管。

圖6 主要組成電路

2 感應式無線功率傳輸裝置的軟件設計

無線功率傳輸系統(tǒng)采用dsPIC33FJ06GS101芯片為控制核心，系統(tǒng)的發(fā)射邊使用了一塊DSP進行全橋逆變器的驅動控制，由于原邊的開關頻率一定，故只需要使用恒定頻率的PWM即可[10-12]。

副邊DSP軟件設計的最終目的是實現改變PWM波的占空比來改變整流橋輸出電壓。軟件程序主要包括主程序、中斷服務子程序和PI控制子程序。主程序完成的是初始化工作；中斷服務子程序主要完成的是采樣以及數據處理輸出等工作；PI控制子程序主要完成的是對采樣數據的處理并計算控制器的輸出。

主程序中主要是對DSP和ADC進行初始化工作以及對變量進行定義。主程序的循環(huán)里主要完成中斷服務子程序的跳轉工作。中斷服務子程序包括定時器中斷和ADC中斷，定時器中斷主要任務是定時，定時時間一到就清除中斷標志。而ADC中斷程序的作用是讀取AD轉換結果，并調用PI子程序，改變PWM占空比從而控制系統(tǒng)的輸出。在計算機控制系統(tǒng)中，常采用數值逼法實現PID控制律。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠蘙1-2,12-13]。

3 實物調試及數據

當兩線圈在某一頻率下會發(fā)生諧振，這時感應的效率是最高的。于是實驗了頻率與效率的關系，這時除去這2個條件外，所有的其他條件都不變化。圖9為效率與輸入端頻率的關系圖。由圖9可以看出，當輸入端頻率為22.196 53 kHz時，其效率值最高。

圖9 效率與輸入端頻率的關系圖

Boost升壓器中的MOSFET是由PWM波驅動的，其中，PWM波的占空比D與U1、U2滿足相應的關系式。如果U1確定，變化D，則U2變化；如果U2確定，變化D，則U1變化；而且D越小，U2/U1就越小。

圖10為D與效率的關系圖。可以看出，占空比的變化還是對效率有一定的影響的，但影響不是很大，得到的效率還是比較穩(wěn)定的，約在67%。

4 結 語

利用電磁感應定律研究了感應式無線功率傳輸的

圖10 占空比D與效率的關系圖

原理特性與感應式無線功率傳輸技術，通過各種數據的收集并與軟件仿真進行對比。相對于傳統(tǒng)的接線式電能傳輸技術，該技術更加靈活、安全、可靠，能實現供電設備和用電設備之間的中程距離電能傳輸，具有無方向性、穿透性強等優(yōu)點。但是有些問題還有待研究，比如：①硬件實驗中可以進一步研究線圈之間的距離對傳輸效率的影響，以及在此基礎上改善電路結構使得只能在近距離才能有效傳輸能量的狀況，在遠距離下也能得到較高效率的電能傳輸。②進一步研究主副線圈的材質以及匝數對傳輸效率的影響，進而找到性價比相對比較高的材質用來進行電能的無線傳輸。

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Design of Inductively Wireless Power Transmission Apparatus

ZHUYun-long,YULei,LIUWen-jie

(School of Mechanical and Electric Engineering; Soochow University, Suzhou 215021, China)

A new technology of inductively wireless power transmission has been investigated, it uses electromagnetic resonance induction principle to transport energy within a certain distance. Using electromagnetic induction law, the two coils of the wireless energy transmission system occur self-resonance at a high frequency. Wireless power transmission technology has been proposed based on the induction of coil coupled. The characteristic of its power transmission has reached the general requirements and the efficiency obtained from actual measurement data is very considerable. Compared with the traditional wired power transmission technology, inductively wireless power transmission technology is more flexible, secure and reliable, and can achieve power transmission within medium distance between powered equipment and power equipment.

inductively wireless power transmission; Boost converter; digital signal controller

2015-07-29

國家自然基金項目(61263005)；蘇州市科技計劃-工業(yè)支撐項目(SG201319)

朱云龍(1990-),男,江蘇蘇州人，碩士生,主要研究無線傳感網絡技術。

余 雷(1983-),男,安徽廣德人，博士,副教授,主要研究無線傳感網絡，智能控制技術等。E-mail:slender2008@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)05-0060-03