基于磁耦合諧振技術的無線充電系統

王惠中，王文濤，劉聯濤，朱宏毅

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院甘肅 蘭州730050）

基于磁耦合諧振技術的無線充電系統

王惠中1，王文濤1，劉聯濤1，朱宏毅2

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院甘肅 蘭州730050）

本文介紹了磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的工作原理、基本結構，并且提出了幾種提高效率的方法。設計了一種基于磁耦合諧振的無線充電實驗裝置，并試圖在各模塊優化的情況下，統籌各部分關系，使系統整體工作在最佳狀態。主電路采用全橋逆變電路，控制電路采用PWM+PLL電路，諧振頻率為76 kHz，實驗證明效率可達90%以上。

磁耦合；諧振；無線充電；逆變電路

無線充電，作為一種新型的電能傳輸方式，簡便快捷安全，無需大量繁瑣的電線連接，使電器設備可以不受空間限制。

無線電能傳輸技術的基本原理是場效應耦合[1]。目前主要有3種方式：感應耦合式、磁耦合諧振式和微波輻射耦合式。而磁共振耦合相對于其他無線電能傳輸方式，具有以下幾方面優勢：首先，傳輸距離較遠，可達到米級距離；其次，在充電過程中有較大的容錯位移，使用靈活且效率高；第三，可以穿透某些障礙物，傳輸功率較大。

2015年全球無線電能傳輸市場規模達到了237億美元，2011年開始，全球無線充電模塊銷量急劇增長，2019年將會增長到9.23億個[2]。國外無線電能傳輸技術發展比較成熟，已經有部分產品投入市場，韓國科學技術學院（KAIST）在韓國南部的龜尾市推出了一種新型的公交車，可以在改造后的道路上一邊行駛一邊充電。2014年1月，英國Arriva巴士公司試行了8輛無線充電巴士，每次的充電時間為10分鐘，可行駛25公里，9月舉行的電動方程式錦標賽上，高通向賽事工作用車提供了無線充電系統Halo[3]。2015年，日本enRoute公司與日本電業工作公司合作開發出了為無人機電池提供無線供電的裝置。而國內的研究還處于理論階段，主要集中于高校和個別科研院所。華北電力大學的張智娟等人設計了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的軟件，可以計算出一定距離下負載功率最大時的系統參數[4]。東北電力大學的李江等人在電源線圈與負載線圈中增加了中繼線圈，搭建了一個磁耦合諧振式無線電能傳輸實驗臺，實驗結果表明:增加中繼線圈的數量能夠有效地增強空間磁感應強度，對提高傳輸效率和增加傳輸距離有顯著作用[5]。

1 磁耦合諧振無線能量傳輸系統模型

2007年，美國麻省理工學院（MIT）教授Marin Soljacic等人發布了磁耦合諧振式無線能量傳輸技術（MCR-WPT）的研究成果[6-9]。他們的傳輸結構采用四線圈模式，相隔2.16 m隔空將一只60 W燈泡點亮，如圖1所示。

圖1 MIT無線電能傳輸實驗裝置

從能量傳輸的觀點出發，至少需要2個線圈才能進行無線電能傳輸。2個諧振線圈的結構，為MCR-WPT的第1種基本拓撲結構，稱為兩線圈結構[10-12]。另外，在2個諧振線圈的基礎上，增加了2個感應線圈，使電源與發射線圈隔離，負載與接收線圈隔離。這種采用4個線圈的結構為MCR-WPT的第2種基本拓撲結構，稱為四線圈結構[10-12]。這2種拓撲結構如圖2所示。

圖2 兩種基本結構模型

以兩線圈結構為例分析，兩線圈結構的MCRWPT的能量流圖如圖3所示。從能量流動的角度分析，從圖3（a）中可以看出，當回路接通，電源給發射線圈供電，且發射線圈發生諧振時，發射線圈中電容的電場能與電感線圈中的磁場能不斷地進行交換。而電感線圈中的磁場有一部分傳輸到接收端的電感線圈，交變的磁場在接收線圈中轉變成電能，從而使能量傳遞到了接收端。同理在接收端，接收線圈也會發生諧振，接收線圈中電容的電場能與電感線圈中的磁場能也在不斷地進行能量交換，最終把能量傳遞到負載。

圖3 基本結構等效模型

由基爾霍夫定律，可知：

矩陣形式為：

當發射端與接收端發生諧振時，滿足以下條件：

由文獻[13]、文獻[14]、文獻[15]可知

式中μ0為真空磁導率；r1、r2分別為發射端和接收端線圈的半徑；n1、n2分別為發射端和接收端線圈的匝數；d為傳輸距離。

2 磁耦合諧振式無線充電系統電路設計

2.1 電路設計

因全橋逆變電路具有傳輸功率較高、電路簡單、容易實現軟開關等優點，因此選擇移相全橋逆變電路作為原邊逆變器。

由式（7）可知，要提高傳輸效率，需要增大電路的頻率ω、線圈間的互感系數M和負載電阻ZL，減小原邊線圈內阻R1和副邊線圈內阻R2。

設計原邊、副邊線圈。要提高系統的傳輸效率，需要減小原邊線圈與副邊線圈的內阻，增大原邊線圈與副邊線圈的互感系數。線圈采用螺旋式機器繞線，減少人工誤差。

選擇諧振頻率。綜合考慮逆變電路、控制電路芯片的頻率范圍及傳輸功率、效率傳輸線圈等，選取諧振頻率ω為75 kHz。

2.2 電路原理框圖

圖4 電路原理圖

主電路：原邊采用功率 MOSFET電子器件IRF8010構成全橋逆變電路，補償方式采用串并電容諧振補償方式，副邊采用全橋整流電路。

控制電路：采用PWM+PLL控制的方法，PWM控制通過調節供電端占空比穩定輸出電壓；PLL控制隨著占空比的變化調節工作頻率保證供電端開關管實現軟開關。首先檢流器檢測原邊電流通過比較器后，形成方波信號輸入到鎖相環電路。PLL鎖相環頻率跟蹤，經邏輯電路處理信號后輸出給PWM芯片UC3875的外同步端，調節主電路的工作頻率。PWM芯片UC3875的4個輸出驅動信號驅動全橋逆變電路。

3 實驗與分析

根據以上思路設計并制作了一臺功率為5 W的無線充電裝置樣機，如圖5所示。原邊采用全橋逆變電路，原邊與副邊線圈采用螺旋式繞線且匝數為10匝，半徑為20 cm。諧振補償電容C1=C2=15 nF。

圖5 諧振式無線充電裝置

PWM波形中的out_A、out_C波形如圖6所示，兩波形中間有死區時間且可調，通過調節上下橋臂之間的死區時間使電路較容易實現軟開關。

圖6 PWM波形

通過計算得到傳輸距離與傳輸效率的關系如圖7所示。

由式（7）可知，傳輸效率與工作頻率、互感系數和負載電阻及原邊、副邊線圈的內阻有關。由圖7可以看出在工作頻率、負載電阻及原邊、副邊線圈的內阻一定的情況下，傳輸效率隨著兩線圈之間的傳輸距離增大而減小。在20 cm到60 cm之間保持很高的傳輸效率；在60 cm之后，由于兩線圈之間空氣氣隙增大，互感系數減小，導致傳輸效率直線下降。

圖7 傳輸距離與傳輸效率的關系

4 MCR-WPT發展方向

盡管MCR-WPT技術已經取得了一定的進展，但仍有不少問題尚待解決。

1）系統的MCR-WPT理論還未成形，沒有提出一套完整的設計方案。高頻功率電源和整流技術仍未有較好的解決，現有的高頻電源方案普遍存在效率低下、設計復雜等弊端。補償電容、電感、諧振頻率、功率等參數沒有確切的要求、沒有行業標準。

2）MCR-WPT技術的實用性。現在的研究多在實驗室環境，針對單一負載、單一環境，多是實驗室創造的理論環境。面對實際應用中智能化、多負載、復雜環境、移動充電、介質干擾及高效高速充電等問題，還沒有很好的解決。

3）MCR-WPT的電磁環境安全問題。MCR-WPT產生的高頻強磁場對人體的輻射危害程度、對其他電子設備的影響，以及如何規避可能的危害，降低使用中的風險，還沒有一定的硬性規定。

4）無線電能傳輸追求的最終目標是高效率、長距離和大功率。電動汽車是無線電能傳輸系統的主要應用領域，高效快速充電、邊行走邊充電是未來電動汽車發展的一個方向。

5 結 論

文中分析介紹了MCR-WPT的基本結構、工作原理。綜述了MCR-WPT技術的應用現狀，討論了該技術待解決的問題及發展趨勢。文中優化了線圈，改進了控制電路，設計制作了一臺實驗樣機，并試圖在各模塊優化的情況下，統籌各部分關系，使系統整體工作在最佳狀態。并給出了工作過程及工作波形。結果證明此方法有效，可以得到較高的傳輸效率。

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Wireless charging system based on magnetic coupling resonance technology

WANG Hui-zhong1，WANG Wen-tao1，LIU Lian-tao1，ZHU Hong-yi2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，SGCC，Gansu Lanzhou 730050，China）

This paper introduces the working principle and the basic structure of magnetic coupled resonant wireless power transmission technology，and puts forward several methods to improve the efficiency.Designed a wireless charging based on magnetic coupling resonance experiment device，and tried to in the optimization of each module，as a whole the relationship between the parts and make the system work in the best state.The main circuit adopts full bridge inverter circuit，the control circuit adopts PWM+PLL，the resonant frequency is 76 kHz，the efficiency is more than 90%.

magnetic coupling；resonance；wireless charging；inverter circuit

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0093-04

2016-02-25稿件編號：201602136

王惠中（1962—），男，甘肅蘭州人，碩士，教授。研究方向：自動化儀器儀表、嵌入式開發與應用、智能信息控制等。