基于單線電能傳輸的無線供電平臺設計

程瑜華， 錢高榮， 陳國雄， 蘇 翔

(杭州電子科技大學 電子信息學院，杭州 310018)

0 引 言

隨著科學技術的快速發展，越來越多的電子產品融入到現實生活中。如今，電子設備的供電方式主要依靠有線方式來實現。在信號的無線傳輸越來越普及的背景下，這種電能的有線傳輸方式不僅顯得越來越不方便，而且存在著較大的隱患，比如導線隨著使用時間的增加會出現線路老化磨損、產生電火花等一系列問題，影響到用電設備的壽命，甚至有可能導致人身觸電，給人們生活帶來安全問題。此外，在一些環境條件苛刻的場合，導線的布線也會遇到極大的阻礙，即便采用蓄電池供電，當電池電量耗盡，更換電池的成本也很昂貴；同時在地下礦井作業時，由于有線供電方式常常會產生電火花，嚴重影響人身安全。正是由于傳統的有線輸電方式存在諸多缺陷，而無線電能傳輸方式在很多應用場景下能夠彌補這些缺陷，于是無線供電技術應運而生[1-3]。

19世紀末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)便提出“單線電能傳輸”的思想，通過使用調諧到諧振頻率的電氣網絡，可以僅使用單個導體傳輸電能，而不需要回線，這被認為是“通過一根電線傳輸電能而不返回”的單線電能傳輸方式[4-5]。此后，國外也有一些單線電能傳輸的研究開展[6-7]?，F如今，針對特斯拉單線傳輸原理，國內也有不少團隊對特斯拉的單線傳輸系統進行了復原[8-10]。但現有的單線電能傳輸系統中存在裝置復雜、使用不便、傳輸距離受限、用電自由度較低等問題，這在實際應用中顯得不夠方便。另一方面，無線電能傳輸越來越受到大家的關注[11-14]。本文提出了一種將單線電能傳輸和無線電能傳輸相結合的新型供電平臺。相比于傳統的雙導線供電系統和無線供電系統，本系統具有明顯的經濟效應；相比于傳統的單線供電系統，本系統具有更大的供電自由度。本文對實驗原理進行了分析，給出了相關參數的設計方法，最后通過實驗進行了驗證。

1 實驗原理與設計

基于單線電能傳輸無線供電平臺的實驗設計如圖1所示，其中，能量發送端使用一個信號發生器和一個功率放大器實現，功率放大器的輸出端連接一塊金屬導體平面(如鋁箔)，作為無線能量發送平臺。能量接收端使用一個繞制在絕緣材料上的螺旋線圈，在線圈的上端口和線圈中間某處連出的抽頭之間連接一個燈泡負載。

圖1 基于單線電能傳輸的無線供電平臺系統模型圖

圖2給出了上述實驗裝置的等效電路原理圖。圖中：C1為金屬導體平面與螺旋線圈之間形成的寄生電容；C2為螺旋線圈與大地之間形成的寄生電容；L1和L2分別為螺旋線圈的兩部分的自感；RL為負載的等效電阻值，信號源和功率放大器被等效為U(t)。系統的工作原理為：功率源產生的電流傳導至金屬導體平面，經電容C1以位移電流的形式傳導至螺旋線圈的L1部分，分別流過并聯連接的L2電感和負載，最后通過電容C2以位移電流的形式傳導至大地回到功率源。

傳統的供電系統通常使用兩根導線形成電流的環路，從而實現電力傳輸。與傳統的供電系統相比，此系統中至少有兩個優點：①電流的回路部分由于通過位移電流形式而非傳導電流的形式進行傳輸，因此節省了一根導線，實現了單線電能傳輸。這樣的系統，不僅節省了成本，而且由于大地具有更低的阻抗，使系統具有更低的能量損耗。②能量接收端與能量發送端之間沒有導線連接，實現了無線電能傳輸，提高了實際應用的便捷性。

圖2 無線供電平臺等效電路原理圖

由于寄生電容C1和C2在電路中以電抗的形式存在，為了將電能更有效地進行傳輸，需要將電抗補償掉，這部分工作由螺旋線圈的電感實現。當系統的工作頻率等于電容C1、C2和電感L1、L2形成的諧振頻率相等時，電源的無功功率可以減小到最小。一個空心螺旋線圈的電感值為[13]

(1)

式中：μ0為真空中磁導率；N為繞制匝數；l為螺線管繞制高度；r為螺線管半徑。相比于螺旋線圈與大地之間的距離，螺旋線圈與金屬導體平面之間的距離小很多，因此電容C1的值比電容C2的值要大很多，使得C1和C2串聯的電容值可以近似為電容C2的值。電容C2的值通過在電磁場全波仿真軟件Ansoft HFSS中仿真擬合得[15]：

(2)

式中：ε0為真空中的介電常數。

系統的工作頻率f即為系統中電感和電容形成的諧振頻率：

(3)

2 實驗結果

在實驗中，功率源采用Tektronix AFG3053C信號發生器后接一個最大頻率為10 MHz的功率放大器(型號FYA20A0S)實現，其信號輸出至一片大小為30 cm×30 cm的鋁箔上，實現能量發送平臺。在能量接收端，螺旋線圈采用線徑為0.71 mm的漆包線繞制在直徑為7 cm的圓筒上，共繞制280匝，高度為24 cm。負載連接在離螺旋線圈上方端口20匝處。通過計算可得，螺旋線圈的電感約為1.27 mH，電容C2約為C=4.05 pF，其諧振頻率約為2.22 MHz。

將一個15 W的LED燈泡作為負載連接在螺旋線圈上方并放置在鋁箔上方，同時在鋁箔和螺旋線圈之間插入一張白紙，以保證螺旋線圈與鋁箔之間沒有連接。如圖3(a)所示，15 W的LED燈泡被點亮，驗證了基于單線電能傳輸的無線供電平臺的初步設計。

(a) 15 W燈泡供電(b) 多負載供電實驗圖

圖3 無線供電平臺實驗圖

在此基礎上，進一步進行了多負載的實驗。在圖3(a)實驗基礎上，再放置一個由一串發光二極管制作的“HDU”字樣的陣列作為負載的、具有相同尺寸的螺旋線圈，如圖3(b)所示。實驗表明，兩個負載能被同時點亮，驗證了此實驗設計可以作為一個無線供電平臺為多個負載供電的功能。

為進一步驗證此無線供電平臺的無線供電距離能力，在負載與鋁箔之間插入了不同厚度的絕緣層(紙盒)來進行實驗。如圖4(a)和4(b)所示，在插入厚度約為2、3和13 cm的絕緣層后，15 W的燈泡仍能夠被點亮。但是，相比于圖4(a)所示的燈泡發光亮度，圖4(b)所示的燈泡發光亮度較暗，圖4(c)所示的燈泡發光亮度最暗。這是由于隨著螺旋線圈與鋁箔之間的距離增大，電容C1的值變小，導致電容C1和C2串聯電容值變小，電感和電容形成的諧振頻率偏移了系統工作頻率，導致功率源的輸出有功功率變小。同時，鋁箔和線圈之間有更多的能量耗散在空間中，使得燈泡接收的功率變小。

(a) 2 cm

(b) 3 cm

(c) 13 cm

水平距離的測試是將線圈和負載放置在鋁箔旁邊9 cm處進行。如圖5(a)所示，15 W的燈泡依舊可以被點亮。逐漸增大線圈與鋁箔之間的距離，15 W燈泡的亮度將逐漸變暗。如圖5(b)所示，線圈與鋁箔之間的距離為19 cm，15 W燈泡的亮度變得較暗。其現象和原理與圖4所示類似，燈泡亮度變暗是由于線圈與鋁箔之間的電容隨著距離增大而變小導致的。

(a) 9 cm(b) 19 cm

圖5 15 W燈泡水平偏移實驗圖

3 結 語

本文設計的基于單線電能傳輸的無線供電平臺，利用螺旋線圈與能量發送平臺之間的寄生電容進行能量耦合實現能量的無線傳輸，利用螺旋線圈與大地之間的寄生電容替代導線實現了能量的單線傳輸。相比于現有的供電平臺，該系統不僅可以減少導線的使用，而且可以提高用電設備的自由度和便捷性。

通過原理分析和參數設計，為供電平臺的實驗設置提供了指導。該實驗裝置不僅可以在教學中，進行位移電流、傳導電流等電磁場知識的教學，而且可以啟發學生的創新思維，進行科技作品的創新。